DE202017102379U1

DE202017102379U1 - Intelligentes Greifsystem

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Publication number: DE202017102379U1
Application number: DE202017102379.6U
Authority: DE
Original assignee: Schunk GmbH and Co KG
Current assignee: Schunk GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2017-05-18
Anticipated expiration: 2027-04-22
Also published as: DE102018103743A1

Abstract

Greifsystem mit Endeffektoren, die als intelligente Sensor-Aktor-Systeme über eine oder mehrere dezentrale Steuereinheiten im oder außerhalb des Endeffektors verfügen, welche eine bidirektionale Kommunikation und eine unmittelbare Interaktion mit weiteren Systemsteuerungen ermöglichen, um einen geregelten Greif-, Bearbeitungs- oder Bewegungsvorgang zu unterstützen, diesen zu koordinieren und/oder eine Zustandsdiagnose des Werkstücks, des Greifguts, des Greifsystems und der kinematischen Wirkkette zu eröffnen, wobei ein oder mehrere sensor- und signalverarbeitende Systeme integriert sind.

Description

Heutige Greifsysteme im Stand der Technik sind Endeffektoren, die als Aktoren am Ende einer kinematischen Kette (beispielsweise als Anbauwerkzeuge an einem Roboter) eingesetzt und in der Regel zum Öffnen oder Schließen bzw. zur Greiftkrafterzeugung und Werkstückhandhabung rein pneumatisch über Kolbenhübe oder mechatronisch mittels elektromotorischer Antriebskomponenten angesteuert werden. Sie weisen entweder keine eigene Steuerung oder allenfalls Komponenten zur Ansteuerung der relevanten Funktionsbaugruppen (z. B. der Motoren) auf.
Im Allgemeinen stellen diese Greifsysteme reine Aktoren dar. Sie weisen keine geschlossenen Regelkreise (z. B. zur Kraftrückkopplung) auf. Integrierte Sensoren werden allenfalls zur Wegmessung, Greifpositions- oder Endlagenerkennung eingesetzt. Eine Überwachung des Greifraums ist mit den eingebauten Sensoren meistens nicht möglich.
Die im Greifer eingesetzten Steuerungssysteme setzen Steuerkommandos übergeordneter Einheiten (z. B. der Robotersteuerung) über unidirektionale Schnittstellen um und sorgen für ein kontrolliertes Greifen, Öffnen oder Schließen. Sie eröffnen im Allgemeinen nur eine eingeschränkte Möglichkeit der Parametereinstellung und weisen keine bzw. nur eine eingeschränkte Sensitivität auf.
Eine Überwachung des Greifgutes, eine Adaption der Regelparameter an die Greifsituation in einem geschlossenen Regelkreis oder eine Übermittlung von Lage-, Hub-, Kraft oder Positionsinformationen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen an eine übergeordnete Anlagensteuerung ist nicht vorgesehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Greifsysteme zu verbessern, und insbesondere die Greifsysteme an die Greif Umgebung und an das Greifgut besser anzupassen.
Diese Aufgabe wird durch ein Greifsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine bidirektionale Signalübertragung findet bei heutigen sich im industriellen Einsatz befindlichen Greifsystemen im Stand der Technik nicht statt. Ebenso findet keine bilaterale Steuerung oder Regelung von Bewegungen und Greifvorgängen mit anderen Steuerelementen der kinematischen Kette in geschlossenen Regelkreisen oder über unmittelbare Interaktion dezentraler und übergeordneter zentraler Steuerungen statt.
Eine Signal- oder Datenanalyse, ebenso wie eine Daten- oder Signalvorverarbeitung durch die im Greifsystem integrierte Steuereinheit findet bei bekannten Greifsystemen nicht statt. Im Greifsystem aufgenommene Messdaten werden nicht verarbeitet, um daraus beispielweis Lern- oder Diagnosefähigkeiten zu übernehmen. So ist es heute nicht möglich, Information über das Werkstück, dessen Beschaffenheit, Zustand oder die Greifsituation für die Bahnsteuerung zu nutzen.
Auch Manipulatoren im Stand der Technik (z. B. Roboter, Portalsysteme) steuern Greifwerkzeuge im Allgemeinen über Signale aus übergeordneten Steuersystemen an. Dezentrale Steuersignale oder eine dezentrale, im Greifer oder im Endeffektor eingebettete Sensor- oder Systemintelligenz werden nicht zur Bahnplanung oder Feinsteuerung eines Werkzeugzugriffs, insbesondere der Feinsteuerung oder Korrektur einer Annäherung oder eines Andockvorgangs genutzt.
Die sich aus der Lehre des Anspruchs 1 und der davon abhängigen Unteransprüche ergebenden Vorteile sind also folgende:

– Erweiterung klassischer Greifsysteme und Endeffektoren um eine dezentrale Steuereinheit im oder außerhalb des Endeffektors, die eine unmittelbare Interaktion mit allen Elementen einer kinematischen Kette über bidirektionale Kommunikationspfade eröffnet, eine Gewinnung zentraler Prozessparameter ermöglicht und so einen geschlossenen Regelkreis innerhalb des Endeffektors selbst oder im Zusammenspiel mit einem Manipulator (z. B. einem Roboter), einer Messdatenaufnahme, einem Datenanalysesystem oder einem übergeordneten Steuerungssystem (z. B. einem ERP-System oder einem MES) ermöglicht.
– Erweiterung klassischer Greifsysteme und Endeffektoren um eine dezentrale Steuereinheit im oder außerhalb des Endeffektors, die unabhängig von der Maschinensteuerung den Greifprozess an sich verändernde Umgebungseinflüsse anpassen kann (unabhängige Entwicklung einer Zugriffsstrategie), bei der Inbetriebnahme eine Unterstützung leistet, um ein möglichst rasches ggf. autarkes Plug & Work sicherzustellen oder eine Selbstdiagnose vornehmen zu können.
– Erweiterung klassischer Greifsysteme und Endeffektoren um eine dezentrale Steuereinheit im oder außerhalb des Endeffektors, die eine Vorverarbeitung, Kombination, Analyse von prozess- und qualitätsrelevanten Daten ermöglicht und so zu einer Datenreduktion, einer Einbindung im Maschinenregelkreise und in Netzwerke sowie Netzwerkdienste (beispielsweise Cloud Services, digitale Modelle) ermöglicht.
– Erweiterung klassischer Greifsysteme und Endeffektoren um eine dezentrale Steuereinheit im oder außerhalb des Endeffektors, die eine Selbstdiagnose des Systems ermöglicht.
– Erweiterung klassischer Greifsysteme und Endeffektoren um eine dezentrale Steuereinheit im oder außerhalb des Endeffektors, das über eine Anomalieerkennung verfügt und unerwartete Systemreaktionen identifiziert, bewertet sowie eine mögliche Fehlreaktion des Greifers verhindert.
– Nutzung von Greifkomponenten für die Steuerung und Optimierung von Handhabungsprozessen und gesamten kinematischen Wirkketten, z. B. für ein Anleiten eines Roboters (Teaching), für ein Anlernen von Greifprozessen (Machine Learning) sowie für eine fertigungsbegleitende Qualitäts-, Prozess- und Produktionsanalyse.

Eine Übersicht von Vorteilen und Eigenschaften die Erfindung betreffend ist in der 1 wiedergegeben. Mit den erfindungsgemäßen Greifsystemen kann folglich ein intelligentes Co-Agieren stattfinden, das eine eine Umfelddetektion, eine Objekterkennung, eine Annäherungsstrategie, ein Greiferkollektiv und/oder eine Digitalisierung mit insbesondere den in der Figur genannten Unterpunkten beinhaltet. Selbstverständlich können sämtliche Merkmale einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Greifsystem mit Endeffektoren, die als intelligente Sensor-Aktor-Systeme über eine oder mehrere dezentrale Steuereinheiten im oder außerhalb des Endeffektors verfügen, welche eine bidirektionale Kommunikation und eine unmittelbare Interaktion mit weiteren Systemsteuerungen ermöglichen, um einen geregelten Greif-, Bearbeitungs- oder Bewegungsvorgang zu unterstützen, diesen zu koordinieren und/oder eine Zustandsdiagnose des Werkstücks, des Greifguts, des Greifsystems und der kinematischen Wirkkette zu eröffnen, wobei ein oder mehrere sensor- und signalverarbeitende Systeme integriert sind.
Greifsystem nach Anspruch 1, wobei eine Signalaufnahme, -vorverarbeitung und -analyse im Greifsystem oder einer außerhalb liegenden, zum Greifsystem zugehörigen Einheit aufweist.
Greifsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine interne Signalanalyse zur Systemdiagnose erfolgt, beispielsweise einer Pegel- oder Gütebewertung, sowohl systemintern als auch auf den Übertragungs- und Signalpfaden der gesamten kinematischen Wirkkette.
Greifsystem nach Anspruch 1, wobei eine Signalanalyse zur Erkennung von Anomalien erfolgt, beispielsweise unerwartete Steuerbefehle oder Zugriffe auf Übertragungs- und Signalpfade der gesamten Wirkkette.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein unmittelbarer Informationsaustausch zwischen den an der Steuerung der kinematischen Wirkkette beteiligten Komponenten und Steuereinheiten erfolgt, um eine möglichst unmittelbare Inbetriebnahme und eine reibungsarme Interaktion im Dauerbetrieb im Sinne eines „Plug & Produce“ zu erzielen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder einer zum Greifsystem zugehörigen Einheit integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme eine Signalanalyse zum Greifprozess erfolgt und diese beispielsweise zur Parametrierung des Greifvorgangs, der Einstellung von Greifpositionen, Endlagen, Greifkräften und Verfahrwegen genutzt wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder einer zum Greifsystem zugehörigen Einheit integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme, ein Informationsaustausch, eine Kombination oder Korrelation von Signalverläufen oder eine Vorverarbeitung und Analyse von Messdaten ermöglicht wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder einer zum Greifsystem zugehörigen Einheit integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme eine Kombination oder Korrelation von Signalverläufen des Greifprozesses mit Signalen, Mess- und Steuerungsdaten weiterer, an der kinematischen Wirkkette beteiligter Steuerungs-, Sensor- und Aktorsysteme ermöglicht wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder einer zum Greifsystem zugehörigen Einheit integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme eine Messdatenaufnahme, Signal-, Daten- oder Informationsaufbereitung erfolgt, welche die Ausgangsbasis für eine Werkstückerkennung und die Gestaltung der Werkstückaufnahme darstellen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder einer zum Greifsystem zugehörigen Einheit integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme eine Messdatenaufnahme, Signal-, Daten- oder Informationsaufbereitung erfolgt, welche die Ausgangsbasis für die Erschließung maschinellen Lernens und Funktionen der künstlichen Intelligenz darstellen.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der im Greifsystem oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Parametrierung und Regelung von Greif- und Bearbeitungsparametern sowie deren fortlaufende Kontrolle und Analyse erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Bestimmung und Nutzung abgeleiteter Kenngrößen, beispielsweise des Werkstückgewichts, seiner physikalischen Eigenschaften oder der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt und diese Informationen zur automatischen Parametrierung und Regelung des Gesamtprozesses, zur Qualitätsbewertung und zur Sicherstellung eines korrekten Ablaufs genutzt werden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Bestimmung qualitätsrelevanter Daten erfolgt und hieraus Kenngrößen zum Prozessverlauf für die Produktionssteuerung, die Produktionsanalyse, die Prozessführung und die Feinplanung gewonnen werden.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Steuerung des Greifvorgangs, insbesondere die Steuerung des Zugriffs, vom Greifwerkzeug ausgeht bzw. dieses die hierfür nötigen Daten und Informationen im Austausch und in direkter Interaktion mit anderen Steuerelementen der kinematischen Wirkkette bereitstellt oder hierfür ein ständiger Abgleich mit einer digitalen Repräsentierung (z. B. Modell, Digitaler Zwilling) erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Steuerung des Greifvorgangs, insbesondere die Steuerung des Zugriffs, arbeitsteilig im Wechselspiel der Steuereinheiten des Greifsystems oder des Endeffektors mit anderen Steuerungselementen der kinematischen Wirkkette (z. B. eines Roboters oder Manipulators) erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme ein kontrolliertes, adaptives und flexibles Greifen sowie eine Anpassung der Greifparameter, der Aktoren und zentralen Funktionselemente des Greifsystems an das handzuhabende Werkstück erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme ein Wechsel des Endeffektors oder Greifsystems, dessen schnelle voll-oder teilautomatisierte Integration als ein Element in einer gesamten kinematischen Wirkkette oder eine virtuelle Inbetriebnahme über physikalische Modelle erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme der Zugriffsvorgang sowohl über die systemimmanente Regelung als ggf. auch unter Hinzuziehung externer Information (z. B. von Netzwerken oder Cloud Services) erfolgt und an die Zugriffssituation (z. B. die Lage oder Orientierung des Werkstücks und des Endeffektors) angepasst wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme der Zugriffsvorgang sicher im Sinne der einschlägigen Normen für die funktionale Sicherheit von Maschinen und Maschinenelementen sowie der einschlägigen Normen für die Mensch-Maschine- und Mensch-Roboter-Kooperation gestaltet wird.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine mittelbare Identifikation des Werkstücks, eines Werkstückträgers oder für den Werkstücktransport genutzter Logistikelemente, beispielweise die Interpretation von Codemarkierungen, Etiketten oder das Auslesen von funkbasierenden Identifikationschips, erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine unmittelbare Identifikation des Werkstücks, eines Werkstückträgers oder für den Werkstücktransport genutzter Logistikelemente, beispielweise unter Ausnutzung optischer Messungen, kognitiver Systeme der Bild- und Mustererkennung oder einer Vermessung und Klassifikation charakteristischer Größen und Prüfmerkmale, erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Überwachung des Greifraums und des Bewegungsumfelds, beispielweise unter Ausnutzung optischer Systeme (Scanner, Kamera), induktiver, kapazitiver, optischer, akustischer oder auf der Ausbreitung elektromagnetischer Felder und Wellen basierender Wegmesssysteme, erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Bestimmung relevanter physikalischer Parametereigenschaften des aufzunehmenden Werkstücks erfolgt und diese zur Klassifikation und Gestaltung des Greifvorgangs genutzt werden, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, die Magnetisierbarkeit, die Oberflächenhärte, Viskosität oder Kompressibilität eines Werkstücks.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels mehrerer integrierter Sensoren, Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme Anforderungen an eine redundante Systemgestaltung im Sinne der funktionellen Maschinensicherheit erfüllt werden und eine fortlaufende Zustandsdiagnose sowohl der Systemfunktionen als auch des allgemeinen Zustands aller Funktionselemente des Greifers oder Endeffektors erfolgt.
Greifsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der integrierten Sensoren Prozessrechner und Datenerfassungssysteme oder im Umfeld des Greifsystems angebrachter Messsysteme eine Auswahl geeigneter Anbaukomponenten, beispielsweise unterschiedlicher Greiffinger, ermöglicht wird.