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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Manipulatorwerkzeug zum Einsatz in einem automatisierten Arbeitssystem. Das Manipulatorwerkzeug wird über einen mehrachsigen Manipulator bewegt und mit einem oder mehreren Werkstücken in Kontakt gebracht. An dem Manipulatorwerkzeug können ein oder mehrere Effektoren angeordnet sein, um das Werkstück zu handhaben oder zu bearbeiten. Es handelt sich insbesondere um einen Robotergreifer mit einem Einzel- oder Multi-Greifwerkzeug zur Aufnahme von einem oder mehreren Werkstücken.
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In der Praxis ist es bekannt, mit manipulatorgeführten Werkzeugen Objekte zu greifen und zu transportieren, zu bearbeiten oder mit anderen Objekten zu verbinden. Die bekannten Manipulatorwerkzeuge werden durch Anlagensteuerungen in Abhängigkeit von Prozessparametern bewegt und betätigt. Damit eine automatisierte Steuerung ausgeführt werden kann, ist eine genaue Kenntnis über die Beschaffenheit und räumliche Lage der zu greifenden Objekte erforderlich. Besondere Schwierigkeiten bereitet es, Einzelobjekte aus einer unstrukturierten Menge herauszugreifen, wie dies beim sog. „Griff in die Kiste“ der Fall ist. Daher werden Werkstücke, die keine speziell vorgesehenen Greifstellen aufweisen, wie beispielsweise Schrauben, Bolzen und ähnliche Kleinteile, meist manuell zugeführt, in Ausgabemagazinen vorsortiert oder durch technische Vorrichtungen wie Sortierstationen oder Vereinzeler in eine vordefinierte Greifposition gebracht. Es sind weiterhin kamerabasierte Objekterkennungssysteme bekannt, die in einer unstrukturierten Menge von Objekten einzelne greifbare Objekte identifizieren sollen.
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Die bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen einen hohen Raum- und Kostenaufwand auf. Sie sind für zahlreiche Anwendungsfälle in der automatisierten Produktion nur beschränkt einsetzbar.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Manipulatorwerkzeug aufzuzeigen, durch das auf einfache Weise eine Objekterkennung oder Konturenerkennung ermöglicht wird. Ferner sollen eine zugehörige Erfassungsvorrichtung sowie ein Arbeitssystem mit einem entsprechenden Manipulatorwerkzeug und einer Erfassungsvorrichtung aufgezeigt werden.
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Das Manipulatorwerkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung weist einen Korpus mit einem Anschlussflansch zur Befestigung an einem Manipulator auf. Über diesen Anschlussflansch kann das Manipulatorwerkzeug durch den mehrachsigen Manipulator, insbesondere einen Industrieroboter, bewegt und an ein oder mehrere Objekte, insbesondere Werkstücke oder Werkstückkonturen, hergeführt werden. An dem Korpus des Manipulatorwerkzeugs ist zumindest ein Kontaktierungsbereich vorgesehen, der sich zumindest zweidimensional erstreckt. Entlang der Ausdehnung des Kontaktierungsbereichs sind an vorbekannten Positionen Sensoren vorgesehen, die jeweils zur lokalen Erfassung einer Kontaktierung ausgebildet sind. Es ist eine Vielzahl solcher Sensoren vorgesehen, die bevorzugt die gesamte Oberfläche des Kontaktierungsbereichs überdecken. Über diese Sensoren können Form und Größe einer Kontaktkontur zwischen dem Manipulatorwerkzeug und jeweils einem anliegenden Objekt erfasst und zu Erkennungszwecken ausgewertet werden. Mit anderen Worten kann über den Kontaktierungsbereich und die Sensoren ein Befühlen der Kontaktkonturen erfolgen. Aus den Kontaktkonturen kann bspw. mittels Mustererkennung ein Rückschluss auf die kontaktierten Objekte und deren Teile gezogen werden.
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Die Sensoren können zumindest zur Erfassung des Vorhandenseins einer lokalen Kontaktierung ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann jeder Sensor erfassen, ob an dem Abschnitt des Kontaktierungsbereichs, dem dieser Sensor zugeordnet ist, eine Kontaktierung mit einem externen Objekt vorliegt oder nicht. Das dabei ausgegebene Sensorsignal kann somit die Zustände 1/0 bzw. Ja/Nein erfassen, wobei ferner die Positionierung des jeweiligen Sensors, bzw. die Positionierung des jeweiligen Abschnitts des Kontaktierungsbereichs, an dem der Sensor angeordnet ist, bekannt sind.
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Alternativ oder zusätzlich können die Sensoren zur qualitativen Erfassung einer lokalen Kontaktierung ausgebildet sein. Mit anderen Worten können weitere Aussagewerte über Art oder Umfang der Kontaktierung vorliegen. Beispielsweise können graduelle Aussagen über die Ausprägung der Kontaktierung wie stark/moderat/schwach/kein Kontakt ermittelt werden. Eine qualitative Aussage kann auch darüber erzeugt werden, ob eine Kontaktierung den gesamten flächigen Abschnitt des Kontaktierungsbereichs betrifft, dem ein einzelner Sensor zugeordnet ist, oder ob nur eine teilweise Überdeckung vorliegt.
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Wiederum alternativ oder zusätzlich können die Sensoren zur quantitativen Erfassung einer lokalen Kontaktierung ausgebildet sein. Bei einer quantitativen Erfassung wird eine Ausprägung des Kontakts über die Höhe eines Messwertes erfasst. Besonders bevorzugt kann eine quantitative Erfassung einer Flächenpressung bzw. einer lokalen Anpresskraft vorgesehen sein und/oder eine quantitative Erfassung einer optischen Größe. Eine Flächenpressung kann beispielsweise in N/mm2 erfasst werden und eine Anpresskraft in N.
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Durch die genannten Formen der Erfassung werden unterschiedliche Datenniveaus und daraus abgeleitet unterschiedliche Objekterkennungsstrategien ermöglicht, auf die später eingegangen wird.
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Die Sensoren können eine einheitliche Bauart haben und beispielsweise als kapazitive, induktive oder optische Sensoren ausgebildet sein. Daneben sind andere Erfassungsprinzipien möglich, wie das Schließen eines lokalen elektrischen Kontakts o.Ä.
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Alternativ kann eine Mischung von Sensoren unterschiedlicher Bauart vorgesehen sein. Die Bauart der Sensoren kann gegebenenfalls an den Einsatzzweck und/oder die zu erkennenden Objekte angepasst sein. Wenn an einem Manipulatorwerkzeug Sensoren unterschiedlicher Bauart angeordnet sind, kann aus unterschiedlichen Erfassungsergebnissen ein Rückschluss auf die Materialbeschaffenheit oder einen bestimmten kontaktierten Teil eines Objektes gezogen werden.
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Durch Kombination von Sensoren verschiedener Bauarten kann ferner ein Universal-Erkennungsmittel geschaffen werden, das je nach Art des Objektes kapazitiv, induktiv oder optisch erfasste Daten über die Kontaktierung verwendet. Metallische Gegenstände können beispielsweise über alle genannten Sensorvarianten gut erkannt werden, während für die Erkennung von Bauteilen aus Kunststoffen, Stein o.Ä. nur manche Sensorvarianten geeignet sein mögen.
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Die Sensoren können durch ein Objekt direkt beeinflusst werden. Beispielsweise können eine Kapazitätsänderung oder eine Permeabilitätsänderung erfasst werden, die im Umfeld eines Sensors durch das Material eines Objektes selbst hervorgerufen ist. Alternativ oder zusätzlich können am Kontaktierungsbereich des Manipulatorwerkzeugs Prüfkörper vorgesehen sein, deren Lage oder Beschaffenheit beim Kontakt mit einem Objekt verändert werden. Solche Prüfkörper können beispielsweise Metallpunkte oder Metalldrähte sein, die bei einer Kontaktierung näher an einen Sensor herangeführt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Kontaktierungsbereich des Manipulatorwerkzeugs durch ein optisches, kapazitives oder induktives Multi-Touch Trackpad gebildet sein. Solche Trackpads sind als Massenartikel in verschiedensten Ausführungen und Größen erhältlich. Ggf. können ein oder mehrere Multi-Touch Trackpads verschiedener Bauarten kombiniert angeordnet sein. So kann ein optisches Trackpad, insbesondere ein Infrarot-Trackpad eine äußerste Schicht (Randschicht) des Kontaktierungsbereichs bilden und dahinter, d.h. an der zum Inneren des Manipulatorwerkzeugs weisenden Seite, kann beispielsweise ein zusätzliches kapazitives oder induktives Trackpad zur Messung einer Anpresskraft angeordnet sein. Alternativ können beliebige andere Kombinationen von Trackpads in beliebigen Anbringungsarten vorgesehen sein.
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Der Kontaktierungsbereich am Manipulatorwerkzeug kann eben sein, d.h. sich lediglich zweidimensional erstreckend. Er kann alternativ eine Krümmung, Wölbung oder Bombierung aufweisen. Besonders bevorzugt kann eine zweidimensionale Krümmung vorgesehen sein.
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Eine Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung ist zur Erfassung einer oder mehrerer Kontaktierungen zwischen einem Manipulatorwerkzeug und einem oder mehreren Objekten an dem Kontaktierungsbereich des Manipulatorwerkzeugs ausgebildet. Die Erfassungsvorrichtung weist entsprechend zumindest ein durch einen Manipulator führbares Manipulatorwerkzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung und ferner einen Auswerteabschnitt auf. Der Auswerteabschnitt ist dazu ausgebildet, die Erfassungsdaten auszuwerten, die von der Mehrzahl von Sensoren an dem Kontaktierungsbereich ausgegeben werden. Der Auswerteabschnitt kann beispielsweise durch ein Softwareprodukt und/oder eine Schaltung und/oder einen angepassten Schaltkreis gebildet sein, insbesondere durch einen sogenannten ASIC (application specific integrated circuit). Der Auswerteabschnitt kann sich innerhalb eines Manipulatorwerkzeugs oder an einem separaten Bauort befinden. Er kann ggfs. in eine übergeordnete Steuerung integriert sein.
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Ein Auswerteabschnitt ist dazu ausgebildet, ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung einer oder mehrerer Kontaktierungen zwischen einem Manipulatorwerkzeug und einem oder mehreren Objekten an einem Kontaktierungsbereich des Manipulatorwerkzeugs auszuführen.
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Die von dem Manipulatorwerkzeug und insbesondere von den Sensoren ausgegebenen Erfassungsdaten können in beliebiger Form vorliegen. Es können beispielsweise in ständiger Wiederholung die momentanen Erfassungs- oder Messwerte aller Sensoren abgefragt und in einer geordneten Datenstruktur übertragen werden. Eine solche Datenstruktur kann beispielsweise ein Array, ein Vektor oder eine Tabelle sein. Alternativ sind beliebige andere Darstellungen möglich. Für jeden Sensor kann ein digitaler Einzelwert (1/0 bzw. WAHR/FALSCH etc.) übertragen werden. Alternativ kann ein abgestufter Wert (0/0.5/1 etc.) oder ein Messwert (0,00N/3,25N etc.) übertragen werden.
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Die Auswertung der Erfassungsdaten wird bevorzugt derart ausgeführt, dass eine Anordnung und ein Verlauf einer Kontaktzone zwischen dem Kontaktierungsbereich und einem Objekt ermittelt werden. Eine Kontaktzone kann in beliebiger Weise definiert und erkannt werden. Bevorzugt beschreibt eine Kontaktzone zumindest einen zusammenhängenden Bereich von untereinander benachbarten Sensoren, die momentan jeweils das Vorhandensein einer Kontaktierung positiv feststellen. Eine Kontaktzone kann nach ihrer Form, Lage und Größe erfasst werden. Sie kann ggf. Teilbereiche mit unterschiedlichen qualitativen oder quantitativen Ausprägungen einer Kontaktierung aufweisen.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass durch die Erfassungsvorrichtung auch mehrere Kontaktzonen parallel identifiziert werden, die separat und ggf. aneinander anschließend vorliegen können. Solche Kontaktzonen können durch mehrere gleichzeitig in Kontakt mit dem Manipulatorwerkzeug stehende Objekte hervorgerufen sein. Aus den erkannten Kontaktzonen kann in beliebiger Weise ein Rückschluss auf zuordenbare Objekte oder Objektteile gezogen werden. Bevorzugt kann dies durch automatisierte Mustervergleiche und/oder Methoden der flächenbezogenen Datenverarbeitung (ähnlich zur Bildverarbeitung) erfolgen und Verfahren zur Linien- oder Flächenerkennung verwenden.
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Eine Identifikation von Kontaktzonen und/oder zuordenbaren Objekten bzw. Objektteilen kann alternativ oder zusätzlich durch einen Vergleich der Erfassungsdaten oder mit vorbekannten Mustern ausgeführt werden. Die Muster können dabei beliebiger Art sein. Es können insbesondere Muster mit vorbekannten Formen und/oder Größen und/oder Lagen für zu erwartende Kontaktierungen mit bekannten Objekten oder Objektkonturen hinterlegt sein. Durch einen Auswerteabschnitt können die Erfassungsdaten und insbesondere innerhalb der Erfassungsdaten ermittelte Kontaktzonen basierend auf deren Form und/oder Größe und/oder Lage mit derartigen Mustern verglichen werden. Wenn der Mustervergleich positiv ist, kann ein dem jeweiligen Muster zugeordnetes Objekt oder eine zugeordnete Objektkontur identifiziert werden.
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Es können auch vorbekannte oder zu erwartende Anordnungsbeziehungen zwischen zwei oder mehr Kontaktzonen im Rahmen eines Mustervergleichs überprüft werden. Dies ist insbesondere für komplexe Außenkonturen von Werkstücken anwendbar.
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Aus einer bekannten momentanen Stellung von Manipulator und Manipulatorwerkzeug sowie aus der Anordnung und/oder dem Verlauf einer oder mehrerer Kontaktzonen kann die absolute Lage eines oder mehrerer kontaktierter Objekte im Raum erfasst werden. Hierdurch kann ein erkanntes Objekt für die weitere Handhabung und/der Bearbeitung durch ein Arbeitssystem zugänglich gemacht werden. Das identifizierte Objekt kann auch durch andere Manipulatoren oder Werkzeuge innerhalb eines automatisierten Arbeitssystems gezielt aufgefunden und angefahren werden.
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Demzufolge ist es mit der Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich, ein oder mehrere kontaktierte Objekte zu identifizieren und deren Lage in einer solchen Weise zu erkennen, dass eine vollautomatisierte Bearbeitung oder Handhabung der Objekte ermöglicht wird. Die Bearbeitung oder Handhabung kann durch das Manipulatorwerkzeug erfolgen, an dem der Kontaktierungsbereich und die Sensoren zur Erfassung der Kontaktierung vorgesehen sind. Dieses Manipulatorwerkzeug kann entsprechend weitere Effektoren zur Durchführung der Handhabung oder Bearbeitung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Bearbeitung oder Handhabung durch andere Werkzeuge erfolgen, die ggf. von anderen Manipulatoren bewegt und betätigt werden.
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Die vorliegende Offenbarung umfasst ein Arbeitssystem zum Handhaben und/oder Bearbeiten von mindestens einem Objekt mit zumindest einem mehrachsigen Manipulator, einer Erfassungsvorrichtung und einem durch den Manipulator geführten Manipulatorwerkzeug. Das Arbeitssystem ist dazu ausgebildet, das Handhaben und/oder Bearbeiten in Abhängigkeit von den Auswerteergebnissen der Erfassungsvorrichtung zu steuern und insbesondere automatisiert auszuführen. Dies kann insbesondere in Abhängigkeit von einer ermittelten Kontaktzone und/oder einem identifizierten Objekt geschehen.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann ein Manipulatorwerkzeug ein Greifwerkzeug und insbesondere ein Magnetgreifer sein, mit dem ein oder mehrere Objekte aus einer unsortierten Menge gegriffen werden. Eine Identifikation von kontaktierten Objekten kann vor und/oder während des Greifens ausgeführt werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, mit einem Magnetgreifer Standardteile, wie Bolzen, Schrauben, Beilagscheiben, etc. aus einem Vorratsbehälter, wie beispielsweise einer Kiste, herauszugreifen und in automatisierter Weise einem weiteren Produktionsprozess zuzuführen. Das Manipulatorwerkzeug kann an die Menge von Objekten herangeführt werden und die Identifikation durchführen. Anschließend können ein oder mehrere der identifizierten Objekte aufgegriffen und/oder bearbeitet werden. Alternativ können zunächst wahllos ein oder mehrere Objekt aufgenommen werden, von denen nach der Identifikation ggfs. manche wieder freigegeben werden.
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In den Unteransprüchen, den Zeichnungen sowie der nachfolgenden Beschreibung sind weitere vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 und 2: ein Manipulatorwerkzeug gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Frontal- und Seitenansicht;
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3a bis 3f: Beispiele für Kontaktzonen am Kontaktierungsbereich des Manipulatorwerkzeugs bei Berührung mit diversen Objekten;
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4: eine Erläuterungsdarstellung für die Entstehung einer Kontaktzone mit mehreren Teilbereichen unterschiedlicher Anpresskraft bei einer Kontaktierung zwischen einem balligen und einem flachen Körper;
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5: eine schematische Darstellung eines automatisierten Arbeitssystems mit einem Manipulatorwerkzeug in Form eines Magnetgreifers und einem zusätzlichen manipulatorgeführten Bearbeitungswerkzeug.
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Ein Manipulatorwerkzeug (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in den 1 und 2 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Manipulatorwerkzeug (10) weist einen Korpus (14) mit einem Anschluss (15) zur Anbindung an einen Manipulator (17) auf. In 2 ist ein ringförmiger Anschlussflansch (15) dargestellt, über den das Manipulatorwerkzeug (10) an einer Manipulatorhand (28) eines Industrieroboters befestigbar ist. Alternativ können der Anschlussflansch und der Korpus in beliebiger anderer Weise gebildet sein. Die Befestigung kann an einem beliebig ausgebildeten einachsigen oder bevorzugt mehrachsigen Manipulator erfolgen.
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An dem Korpus (14) ist ein Kontaktierungsbereich (16) angeordnet, der sich zumindest zweidimensional erstreckt. Es kann bevorzugt an der dem Anschlussflansch (15) gegenüber liegenden Seite des Korpus (14) angeordnet sein. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Kontaktierungsbereich (16) kreisförmig und erstreckt sich in einer flachen Ebene, d.h. der Kontaktierungsbereich (16) hat in dieser Ausbildung eine ausschließlich zweidimensionale Erstreckung. Alternativ kann der Kontaktierungsbereich eine andere Randkontur und ggfs. eine dreidimensionale Flächenformung haben. Er kann insbesondere eine eckige Kontur und/oder eine Krümmung, Wölbung oder Balligkeit aufweisen. Bevorzugte Randkonturen sind rechteckig, quadratisch, sechseckig und rund. Eine Krümmung kann als zylindrische Krümmung, konische Krümmung, kugelige Bombierung, Ellipsoidwölbung oder in beliebiger anderer Form vorliegen.
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Randkontur, Flächenformung und Größe des Kontaktierungsbereichs (16) können an die Art der zu kontaktierenden Objekte oder Objektkonturen angepasst sein. Für das Greifen von Werkstücken aus einer Kiste kann die gezeigte flache, sich rein zweidimensional erstreckende Ausbildung mit kreisförmiger Randkontur oder mit viereckiger Kontur geeignet sein. Für das Greifen und Handhaben von ringförmigen Gegenständen wie Beilagscheiben oder Ähnliches kann eine kreisrunde Form mit einer kugeligen Bombierung geeignet sein.
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Entlang der Erstreckung des Kontaktierungsbereichs (16) ist eine Vielzahl von Sensoren (20, 21) vorgesehen, die bevorzugt auf oder in dem Material des Kontaktierungsbereichs eingesetzt sind. Jeder dieser Sensoren ist bevorzugt zur Erfassung einer lokalen Kontaktierung zwischen dem Manipulatorwerkzeug (10) und einem Objekt (27) vorgesehen. Die Sensoren (20, 21) sind regelmäßig angeordnet, insbesondere in einer regelmäßigen Matrix (18, 19). In 1 sind beispielhaft eine erste Matrix (18) mit einer quadratischen Grundstruktur und eine zweite Matrix (19) mit einer wabenförmigen Grundstruktur dargestellt. In jedem Feld der Matrix (18, 19) können ein oder mehrere Sensoren (20, 21) vorgesehen sein. Für jedes Feld bzw. jeden Sensor (20, 21) ist die örtliche Lage in Bezug auf den Kontaktierungsbereich (16) und somit in Bezug auf das Manipulatorwerkzeug (10) bekannt.
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Der Kontaktierungsbereich (16) und die Sensoren (20, 21) können grundsätzlich von beliebiger Bauart sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kontaktierungsbereich (16) durch mindestens ein Multi-Touch Trackpad (24) gebildet, das gegebenenfalls als Fertigteil erhältlich ist. Die Sensor-Bauart kann von der Ausbildung des Multi-Touch Trackpads (24) abhängen.
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Die Sensoren (20, 21) können alle in einer gemeinsamen Ebene bzw. nach einem einheitlichen Positionierungsschema angeordnet sein, insbesondere mit einem einheitlichen Abstand zur Oberfläche des Kontaktierungsbereichs (16) und gleichbleibenden Abständen unter benachbarten Sensoren. Alternativ können die Sensoren (20, 21) über mehrere Ebenen verteilt und insbesondere in zwei oder mehr Schichten (22, 23) übereinander angeordnet sein. Dabei kann eine erste Schicht, beispielsweise eine Randschicht (22), Sensoren (20) einer ersten Bauart und eine zweite dahinter angeordnete Schicht (23) Sensoren (21) einer zweiten Bauart beinhalten.
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In 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der in einer Randschicht (22) ein erster Satz von Sensoren (20) zur Bildung eines optischen Trackpads angeordnet ist. Dahinter, d.h. auf der zum Korpus (14) des Manipulatorwerkzeugs (10) weisenden Seite, kann ggfs. eine weitere Sensorschicht (23) mit weiteren Sensoren (21) zur Bildung eines resistiven oder induktiven Trackpads vorgesehen sein. Alternativ können die Bauarten der Sensoren in der Randschicht (22) und der dahinter liegenden Sensorschicht (23) abweichend gewählt sein. Über einer sensortragenden Randschicht (22) kann noch eine weitere Schutzschicht vorgesehen sein, beispielsweise um die Sensoren (20) vor Beschädigungen oder Verschmutzung zu schützen.
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Bei der genannten Ausführungsform kann ein optisches Trackpad beliebig ausgebildet sein. Es kann insbesondere am Kontaktierungsbereich (16) eine lichtleitende Schicht, beispielsweise die Randschicht (22), vorgesehen sein, an welcher die lokale Kontaktierung durch Infrarot-Sensoren oder andere geeignete optische Sensoren erfasst wird. Die Infrarot-Sensoren können beispielsweise eine von einem Objekt (27) abgestrahlte Infrarotstrahlung erfassen, insbesondere vom Objekt reflektierte Messstrahlung. Alternativ können die Sensoren die Unterbrechung einer Infrarotstrahlung durch Schattenwurf erfassen. Die optischen Sensoren können entsprechend zur Erfassung eines Absolutwertes und/oder eines Änderungswertes einer lokalen Lichtdichte ausgebildet sein.
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Das für die Erfassung einer Kontaktierung erforderliche Licht kann auf beliebige Weise erzeugt werden. Es kann beispielsweise eine seitliche Einstrahlung von Licht in die Stirnseiten der lichtleitenden Schicht vorgesehen sein. Das Licht kann sich in der lichtleitenden Schicht weitgehend homogen verteilen und eine Grundmenge an Lichtstrahlung zu den jeweiligen Sensoren abstrahlen. Die Menge oder die Richtung oder die Intensität des rückgestrahlten Lichts kann sich lokal verändern, wenn ein Objekt an dem Kontaktierungsbereich (16) anliegt, beispielsweise weil sich die optische Dichte oder die Reflexionseigenschaften der Außenoberfläche bei mechanischer Belastung ändern. Die optischen Sensoren (21) können als durch Lichteinfall aktivierte Schalter ausgebildet sein, die bei einem Über- oder Unterschreiten von vorbestimmten Lichtstärken eine Kontaktierung feststellen. Die optischen Sensoren (21) erfassen dabei direkt eine lokale Veränderung des Lichteinfalls in direkter Nähe zu dem Ort der Kontaktierung.
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Eine Randschicht (22) des Kontaktierungsbereichs (16) kann verformbar sein, d.h. insbesondere elastisch verformbar. Hierdurch wird es ermöglicht, dass sich die Randschicht (22) bei der Kontaktierung auch Unebenheiten eines Objektes in gewissen Grenzen anpassen kann. Die elastische Verformbarkeit kann ferner für die Messung einer Anpresskraft und/oder eine Flächenpressung ausgenutzt werden, worauf weiter unten eingegangen wird. Eine Verformbarkeit kann auch für hinter der Randschicht (22) angeordnete Sensorschichten (23) vorgesehen sein. Wenn mehrere Schichten (22, 23) mit Sensoren (20, 21) hintereinander vorgesehen sind, können sich diese ggfs. gemeinsam verformen.
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Bei dem in 2 dargestellten Manipulatorwerkzeug (10) sind beispielhaft zwei Effektoren (25, 26) dargestellt. Die Effektoren (25, 26) können beliebig ausgebildet und mit beliebiger Relation zu dem Kontaktierungsbereich (16) angeordnet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Effektor (26) als Greifer ausgebildet sein. Ein weiterer Effektor (25) kann als Bearbeitungswerkzeug ausgebildet sein.
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Der den Greifer bildenden Effektor (26) kann hinter einem Kontaktierungsbereich (16), d.h. an einer von einem zu kontaktierenden Objekt (27) wegweisenden Seite des Kontaktierungsbereichs (16) angeordnet sein. Der Effektor (26) in einer solchen Positionierung kann zur Durchführung eines Greifens durch den Kontaktierungsbereich (16) hindurch eine Beeinflussung auf ein Objekt (27) auswirken. Der Effektor (26) kann beispielsweise als Elektromagnet oder als Saugvorrichtung ausgebildet sein. Ein Elektromagnet kann auf ferromagnetische Teile eine Anziehungskraft durch den Kontaktierungsbereich (16) hindurch auswirken, um beispielsweise eine Schraube oder einen Bolzen anzuziehen. Eine Saugvorrichtung kann beispielsweise durch in dem Kontaktierungsbereich (16) vorgesehene Kanäle oder Leitungen hindurch eine Ansaugung auf ein oder mehrere zu kontaktierende Objekte auszuwirken.
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Alternativ kann ein Effektor (26) in anderer Form als Magnetgreifer oder Sauggreifer ausgebildet sein. Er kann an anderer Stelle angeordnet sind und als Einzel-Greifer zum gezielten Handhaben ausgebildet sein, beispielsweise als Greiffinger oder Greifzange.
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Besonders bevorzugt kann ein Effektor (26) als Multi-Greifer ausgebildet sein, der gleichzeitig eine Mehrzahl von Objekten oder Objektteilen aufnimmt. Dies ist beispielsweise bei einem Magnetgreifer oder Sauggreifer der Fall, der im Bereich der gesamten Fläche des Kontaktierungsbereichs (16) wirken kann.
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Im Weiteren wird zur Vereinfachung der Darstellung davon ausgegangen, dass das Manipulatorwerkzeug (10) einen Effektor (26) in Form eines Magnetgreifers aufweist, der gleichzeitig ein oder mehrere Objekte (27) greifen kann. Es wird ferner beispielhaft angenommen, dass es sich bei den zu greifenden Objekten (27) um zylindrische Bolzen aus einem ferromagnetischen Material handelt. Diese Annahmen bedeuten keine Beschränkung des Offenbarungsumfangs oder der erfinderischen Idee. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale können mit beliebig abweichenden Ausbildungen eines Manipulatorwerkzeugs (10) und mit anderen Arten von Effektoren (25, 26) verwendet werden.
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In 1 und 2 ist beispielhaft dargestellt, dass ein Metallbolzen (27, 27a) in einer querliegenden Position unter Berührung des Kontaktierungsbereichs (16) am Manipulatorwerkzeug (10) aufgenommen ist, sodass dessen Zylindermantelfläche zu einer linienförmigen oder streifenförmigen Anlage mit dem Kontaktierungsbereich (16) kommt.
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3A bis 3E illustrieren verschiedene Formen von Kontaktzonen, die beim Greifen solcher Metallbolzen entstehen können und wie hieraus Art und Position eines Objektes identifizierbar werden. In 3A ist die Situation gemäß 1 und 2 nochmals skizziert. Ein querliegender Bolzen (27a) liegt derart an dem Kontaktierungsbereich (16) an, dass sich eine linien- oder streifenförmige Kontaktzone (31a) ausbildet. Die Länge dieses Streifens entspricht der Länge des Bolzens. Die Kontaktzone (31a) liegt vollständig innerhalb der Randkontur des Kontaktierungsbereichs (16).
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In 3B ist eine Vergleichssituation dargestellt, bei der ebenfalls ein querliegender Bolzen (27a) an dem Kontaktierungsbereich (16) anliegt. Hier ragt jedoch ein Ende des Bolzens (27a) seitlich über die Randkontur, d.h. die äußere Grenze des Kontaktierungsbereichs (16) hinaus. In der Folge entsteht eine Kontaktzone (31b), die ebenfalls linien- oder streifenförmig ist, dabei jedoch die Randkontur des Kontaktierungsbereichs (16) schneidet.
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In 3C ist eine Situation dargestellt, bei der ein Metallbolzen (27b) aufrechtstehend an dem Kontaktierungsbereich (16) aufgenommen ist. Die im Wesentlichen kreisrunde Stirnfläche des Bolzens liegt somit an dem Kontaktierungsbereich (16) an, während die Mantelfläche senkrecht absteht. Hierdurch entsteht eine kreisförmige Kontaktzone (31c). Sie ist in dem gezeigten Beispiel vollständig innerhalb des Kontaktierungsbereichs (16) angeordnet.
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3D zeigt eine ähnliche Situation, bei der allerdings der Metallbolzen (27b) den Rand des Kontaktierungsbereichs (16) überlappt. Auch hier kommt es zu einer Überschneidung zwischen der Kontaktzone (31b) und der Randlinie.
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In 3E ist eine Situation dargestellt, bei der sowohl ein querliegender Metallbolzen (27a) als auch ein aufrechtstehender Metallbolzen (27b) aufgenommen sind. Hierdurch werden entsprechend eine erste linien- oder streifenförmige Kontaktzone (31a) und eine zweite im Wesentlichen runde Kontaktzone (31c) erzeugt, hier jeweils ohne Berührung oder Überlappung mit der Randkontur.
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Ein Auswerteabschnitt (29) einer Erfassungsvorrichtung (11) ist bevorzugt dazu ausgebildet, innerhalb der Erfassungsdaten (30) des Manipulatorwerkzeugs (10) zusammenhängende Bereiche mit jeweils zueinander benachbarten Sensoren (20, 21) zu erkennen, die jeweils zumindest das Vorhandensein einer Kontaktierung melden. Es können ferner übereinstimmende oder ähnliche qualitative oder quantitative Messwerte berücksichtigt werden. Durch bekannte Methoden zur Konturen- und Flächenerfassung können solche Analysen durchgeführt werden. Die ermittelten Kontaktzonen (31) können mit einem oder mehreren vorbekannten Mustern verglichen werden. Auch hierfür sind entsprechende Vergleichsmethoden bekannt.
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Wenn ein Mustervergleich erfolgreich war, kann der entsprechenden Kontaktzone (31a, 31b, 31c, 31d) das zum jeweiligen Muster zugehörige Objekt zugewiesen werden, in 3E z.B. die Erkennung eines querliegenden Metallbolzens (27a) zur Kontaktzone (31a) und eines aufrechtstehenden Metallbolzens (27b) zur Kontaktzone (31c). Ferner kann aus der Orientierung und Lage einer Kontaktzone (31a, 31b, 31c, 31d) auf die entsprechende Orientierung und Lage des erkannten Objektes (27), hier der Metallbolzen (27a, 27b) rückgeschlossen werden. Dabei können vorbekannte Abmaße der zu erwartenden Objekte (27, 27a, 27b) berücksichtigt werden.
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In 3F sind beispielhaft zwei Spezialfälle einer Kontaktierung dargestellt. Zum einen sind zwei Kontaktzonen (31e, 31f) dargestellt, die durch die Berührung mit einem komplex geformten Verbindungsflansch an einem Bauteil entstehen. Sie gehören gemeinsam zu einer komplexen Außenkontur eines einzigen Werkstückes. Diese Außenkontur kann als vorbekannte Musterform und/oder als vorbekannte Anordnungsbeziehung zwischen zwei ebenfalls bekannten Formen der Kontaktzonen (31e, 31f) abgespeichert sein und so auf einer komplexeren Ebene eine Identifizierung erlauben.
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Weiterhin ist in 3F eine Kontaktzone mit drei Teilbereichen (31x, 31y, 31z) dargestellt. Diese Teilbereiche liegen hier ineinander und geben an, dass zwischen diesen Teilbereichen (31x, 31y, 31z) jeweils unterschiedliche qualitative oder quantitative Ausprägungen einer Kontaktierung festgestellt wurden. Innerhalb eines Teilbereichs (31x, 31y, 31z) sind die erfassten qualitativen oder quantitativen Messniveaus jedoch gleich oder so ähnlich, dass sie als einheitlich aufgefasst werden.
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In 4 ist beispielhaft ein Kontakt zwischen einem balligen und einem ebenen Körper dargestellt, der zu solch einer Kontaktzone mit mehreren Teilbereichen führen kann. Hier ist ein Kontaktierungsbereich (16), bzw. eine äußerste Randschicht (22), flach ausgebildet und wird in Kontakt mit einem Objekt (27) mit kugelförmig balliger Kontur gebracht. Alternativ kann ein ballig geformter Kontaktierungsbereich mit einem flachen oder balligen Objekt in Kontakt gebracht werden, was zu im Prinzip gleichen oder ähnlichen Ergebnissen führt.
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Der Kontaktierungsbereich (16) ist elastisch verformbar und weist eine Mehrzahl von Sensoren (20) auf, die eine Anpresskraft oder Flächenpressung erfassen. Infolge der Vorwölbung des Objektes (27) in der Berührstelle wird ein innerer Teilbereich (31x) der Kontaktzone am stärksten komprimiert, sodass es dort zu einer höchsten gemessenen Anpresskraft oder Flächenpressung kommt. Ein daran angrenzender, hier ringförmiger mittlerer Teilbereich (31y) wird infolge der durch die Balligkeit weiter zurückliegenden Oberfläche etwas weniger komprimiert, sodass dort geringere Werte für die Anpresskraft oder Flächenpressung ermittelt werden. In dem äußeren, hier ebenfalls ringförmigen Teilbereich (31z) wird entsprechend nur noch eine leichte Anpresskraft oder Flächenpressung ermittelt. Aus der Form, Größe und Anordnung der Teilbereiche (31x, 31y, 31z) und ggfs. der qualitativen Ausprägung oder quantitativen Höhe der Messwerte können Rückschlüsse auf die dreidimensionale Kontur des Objektes im Berührungsbereich gezogen werden. Insbesondere können das Vorhandensein oder die Ausprägung einer Vorwölbung oder ähnlicher dreidimensionaler Konturen erfasst werden.
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Eine ähnliche Ausbildung von Teilbereichen (31x, 31y, 31z) kann auch bei einer optischen Erfassung einer Kontaktierung entstehen, wenn es durch die unterschiedlichen Krümmungen des Objektes oder des Kontaktierungsbereichs und/oder die unterschiedlichen lokalen elastischen Verformungen zu entsprechend unterschiedlichen Lichtveränderungen kommt, beispielweise infolge von lokal unterschiedlicher Lichtbrechung, Reflexion, Schattenwurf oder Absorption an der Objektkontur und/oder einer lichtführenden Schicht.
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Eine Erfassungsvorrichtung (11) bzw. ein Auswerteabschnitt (29) kann die Erfassungsdaten (30) der Sensoren (20, 21) in Hinblick auf Anzahl und/oder Form und/oder Lage von identifizierbaren Teilbereichen (31x, 31y, 31z) innerhalb einer Kontaktzone überprüfen. Die ermittelten Teilbereiche können für sich allein oder in Gruppen in einem Mustervergleich analysiert werden, um ein oder mehrere Objekte (27) bzw. bestimmte Objektteile zu identifizieren.
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In 5 ist ein besonders bevorzugter Anwendungsfall für die vorliegende Erfindung in einem Arbeitssystem (12) dargestellt. Das Arbeitssystem (12) umfasst einen ersten Manipulator (17), der ein Manipulatorwerkzeug (10) mit einem Effektor (26) in Form eines Magnetgreifers führt. Das Manipulatorwerkzeug (10), insbesondere die Sensoren an oder auf dem Kontaktierungsbereich (16), sind über eine kabelgebundene oder kabellose Datenverbindung (34), d.h. insbesondere über Informationsleitungen, mit einer Erfassungsvorrichtung (11) verbunden, die hier als Teil einer Anlagensteuerung (35) dargestellt ist. Über die Datenverbindung (34) können einerseits die Erfassungsdaten (30) vom Manipulatorwerkzeug (10) zur Anlagensteuerung (35) bzw. zur Erfassungsvorrichtung (11) übertragen werden. Andererseits können Steuerdaten (33) von der Anlagensteuerung (35) bzw. der Erfassungsvorrichtung (11) zum Manipulatorwerkzeug (10) sowie zu anderen Teilen der Anlage übertragen werden, um bspw. die Effektoren (25, 26) am Manipulatorwerkzeug zu betätigen. Die Datenverbindung (34) kann bevorzugt als Bussystem ausgebildet sein, über das eine Mehrzahl von Aktoren und/oder Sensoren des Arbeitssystems (12) untereinander und/oder mit der Anlagensteuerung (35) kommunizieren. Alternativ kann die Datenverbindung (34) als dedizierte Verbindung oder Gruppenverbindung oder in beliebiger anderer Art ausgebildet sein.
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In dem gezeigten Beispiel umfasst das Arbeitssystem (12) einen zweiten Manipulator (13), der ein zusätzliches Bearbeitungswerkzeug (37) führt. Es kann sich hier beispielsweise um ein Zerspanungswerkzeug oder ein Schweißwerkzeug handeln, das ebenfalls mit der Anlagensteuerung (35) und ggfs. mit der Erfassungsvorrichtung (11) verbunden ist.
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Der erste Manipulator (17) und das Manipulatorwerkzeug (10) erhalten Anweisungen, um durch eine gesteuerte Bewegung ein oder mehrere Objekte (27) aus einer unstrukturierten Objektmenge (36) zu entnehmen. Hier ist beispielhaft die Entnahme von Metallbolzen aus einer unstrukturierten Anhäufung innerhalb einer Kiste dargestellt. Das Manipulatorwerkzeug (10) kann mit dem Kontaktierungsbereich (16) voraus in die Kiste eingeführt werden. Dabei kann der Magnetgreifer (26) aktiviert werden, um ein oder mehrere Metallbolzen (27) aufzunehmen. Ggfs. kann die Annäherung bei eingeschaltetem Magnetgreifer langsam durchgeführt werden, um möglichst nur einen Metallbozen aufzunehmen. Alternativ kann die Aufnahme mehrerer Bolzen erwünscht sein.
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Sobald innerhalb der Erfassungsdaten (30) mindestens eine Kontaktzone (31) feststellbar ist, können die ein oder mehreren berührten Objekte sowie deren Anordnungen und Lage in der vorgenannten Weise identifiziert und zur Ansteuerung bzw. Betätigung der Manipulatoren (13, 17) sowie der Effektoren (25, 26) und Bearbeitungswerkzeuge (37) verwendet werden. Die Erfassungsvorrichtung (11) und/oder die Anlagensteuerung (35) können aus der bekannten momentanen Stellung des Manipulators (17) und des Manipulatorwerkzeugs (10) sowie aus der Anordnung und/oder dem Verlauf einer oder mehrerer erfasster Kontaktzonen (31) eine absolute Lage der berührten Objekte erfassen und für die Steuerung des Arbeitssystems weiterverarbeiten. Beispielsweise können der zweite Manipulator (13) und das dort angeordnete Bearbeitungswerkzeug (37) derart gesteuert werden, dass jeweils an einer zugänglichen Stirnseite eines aufgenommenen Metallbolzens (27) eine Bohrung oder ein Schweißpunkt gesetzt werden. Dabei können die Manipulatoren (13, 17) in bekannter Weise zusammenwirken.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Greifwerkzeug (26), insbesondere ein Magnetgreifer, in Abhängigkeit von den ermittelten Kontaktzonen und/oder den identifizierten Objekten gesteuert wird. Das Greifwerkzeug (26) kann beispielsweise mehrere separat steuerbare Segmente (32) aufweisen. Insbesondere kann ein Magnetgreifer mehrere separat ansteuerbare Elektromagnete (vgl. 3E) umfassen oder ein Sauggreifer kann über mehrere separat steuerbare Saugsegmente verfügen.
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Wenn eine Mehrzahl von Objekten (27a, 27b) durch einen solchen Multi-Greifer aufgenommen und erkannt wurde, können nach Bedarf innerhalb dieser Mehrzahl ein oder mehrere Objekte ausgewählt und wieder freigegeben werden. Das selektive Freigeben kann sofort nach der Aufnahme oder zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden, bspw. nach einer Positionierung eines ausgewählten Objektes an einer Ablagestelle. Das Freigeben kann insbesondere durch selektives Abschalten eines oder mehrerer Segmente (32) erfolgen.
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Ein solches Multi-Greifen und selektives Freigeben kann beispielsweise genutzt werden, wenn nur ein einzelner Metallbolzen zur nächsten Arbeitsstation weitergegeben werden soll oder wenn nur quer an dem Kontaktierungsbereich anliegende Metallbolzen (27a) weiter verarbeitet werden können. Es kann somit eine Aussortierung von nicht erwünschten oder in der aufgenommenen Lage nicht weiter bearbeitbaren Objekten erfolgen.
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Ferner können an dem Manipulatorwerkzeug (10) ein oder mehrere weitere Effektoren (25) in Form von Bearbeitungswerkzeugen angeordnet sein (vgl. 2), die ebenfalls in Abhängigkeit von den erfassten Kontaktzonen und/oder identifizierten Objekten steuerbar sein können. Solche Bearbeitungswerkzeuge können beispielsweise zum gezielten Abwerfen von zu viel aufgenommenen Objekten oder zum Ändern derer Lage vorgesehen sein. Alternativ können beliebige andere Bearbeitungen oder Handhabungen durch die weiteren Effektoren (25) ausgeführt werden.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die Merkmale der gezeigten und/oder beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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Ein Manipulatorwerkzeug (10) kann ausschließlich zur Objektidentifikation oder Konturprüfung verwendet werden und keine Effektoren (25, 26) auffassen oder einsetzen. Beispielsweise kann mit einem solchen Werkzeug die Oberflächenkontur eines Werkstücks an einer oder mehreren Stellen befühlt oder abgetastet werden, bspw. um Lagetoleranzen oder einen Erfolg von vorhergehenden Arbeitsprozessen zu prüfen.
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Ein Manipulatorwerkzeug (10) mit einem Einzel- oder Multi-Greifer kann bevorzugt zur Durchführung von Sortieraufgaben und/oder Bestückungsaufgaben eingesetzt werden. An einem Manipulatorwerkzeug (10) können mehrere Kontaktierungsbereiche (16) vorgesehen sein, die für unterschiedliche Erfassungsschritte adaptiert sein können. Diese können entsprechend unterschiedliche Randkonturen und/oder zwei- oder dreidimensionale Flächenformen aufweisen und/oder mit unterschiedlichen Bauarten von Sensoren (20, 21) und insbesondere unterschiedlichen Bauformen von Multi-Touch Trackpads (24) bestückt sein.
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Wenn an einem Kontaktierungsbereich (16) Sensoren (20, 21) verschiedener Bauarten vorgesehen sind, können deren Erfassungsdaten (30) selektiv oder kombiniert ausgewertet werden. Eine selektive Auswertung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn es sich um schwer detektierbare Objekte handelt und aus dem Vergleich der jeweiligen Daten eine Konsistenzprüfung durchführen lässt. Eine kombinierte Auflösung kann bspw. sinnvoll sein, wenn die Sensoren (20) einer ersten Bauart nur eine Kontaktierung nach dem Vorhandensein erfassen, während die Sensoren (21) einer anderen Bauart eine Kontaktierung in qualitativer oder quantitativer Hinsicht erfassen. Insbesondere kann die Anordnung der Sensoren (20) der genannten ersten Bauart anders und insbesondere höher als die Anordnungsdichte der Sensoren (21) der anderen Bauart sein. Ferner können die Sensoren (20, 21) in unterschiedlichen Anordnungsrastern (18, 19) vorliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Manipulatorwerkzeug
- 11
- Erfassungsvorrichtung
- 12
- Arbeitssystem
- 13
- Manipulator / Industrieroboter
- 14
- Korpus
- 15
- Anschlussflansch
- 16
- Kontaktierungsbereich
- 17
- Manipulator / Industrieroboter
- 18
- Matrix, rechteckig / quadratisch
- 19
- Matrix, wabenförmig
- 20
- Sensor
- 21
- Sensor
- 22
- Randschicht (evtl. lichtdurchlässig / elastisch)
- 23
- Sensorschicht
- 24
- Multi-Touch Trackpad
- 25
- Effektor / Bearbeitungswerkzeug
- 26
- Effektor / Greifwerkzeug / Magnetgreifer
- 27
- Objekt / Metallbolzen
- 27a
- Metallbolzen quer liegend
- 27b
- Metallbolzen aufrecht stehend
- 28
- Manipulatorhand
- 29
- Auswerteabschnitt
- 30
- Erfassungsdaten
- 31
- Kontaktzone
- 31a
- Kontaktzone rechteckig ohne Randberührung
- 31b
- Kontaktzone rechteckig mit Randberührung
- 31c
- Kontaktzone rund ohne Randberührung
- 31d
- Kontaktzone rund mit Randberührung
- 31x
- Innerer Teilbereich
- 31y
- Mittlerer Teilbereich
- 31z
- Äußerer Teilbereich
- 32
- Segment / Greifersegment
- 33
- Steuerdaten
- 34
- Datenverbindung
- 35
- Anlagensteuerung
- 36
- Unstrukturierte Objektmenge
- 37
- Bearbeitungswerkzeug
