DE3806333C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Robotergreifer zur adaptiven Handhabung berührungsempfindlicher Objekte nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Greifer ist aus der JP 52-33 253 A2 bekannt. Handhabungsautomaten (Roboter) sind bisher mit rein mechanischen oder mit pneumatischen Antrieben ausgestattet. Bei rein mechanischen Antrieben ist der Antriebsmotor über ein Getriebe mit den Greiferbacken verbunden. Um mittels der Greiferbacken an einem Gegenstand eine bestimmte Kraft aufzubringen, müssen die Backen in eine bestimmte Lage zu dem Objekt gebracht werden, bei der die geforderte Kraft übertragen wird und danach müssen die Antriebe zum Stillstand kommen. Sollte sich die in der angefahrenen Stellung übertragene Kraft ändern (z. B. durch das Ausweichen oder durch die eintretende Verformung des Objektes), so muß eine neue Lage angefahren werden. Da die Position der Greiferbacken, bei der die gewünschte Kraft auf das Objekt aufgebracht wird, vorher nicht bekannt ist (z. B. aufgrund der Nachgiebigkeit des Objektes), können die Backen nur langsam an das Objekt heranfahren, damit die Antriebsmotoren nach Erreichen der gewünschten Kraft möglichst schnell zum Stillstand kommen können. Ebenso ist die adaptive Krafteinstellung am Objekt mit einem hohen Zeitaufwand verbunden, da eine schnelle Bewegungsgeschwindigkeit der Backen ein Überschwingen der Antriebe beim Anfahren einer neuen Kraft zur Folge hat, so daß die Antriebsmotoren zur genauen Einstellung mehrmalige Drehrichtungsänderungen ausführen müssen. Da eine hohe Getriebeübersetzung das Trägheitsmoment und die Eigendämpfung eines Antriebsmotors sowie die Haftreibung der vorderen Getriebestufen bis zum Getriebeausgang stark erhöht, ist ein selbständiges Zurückweichen der Antriebe beim Auftreten hoher äußerer Kräfte nicht möglich.

Bei pneumatischen Antrieben läßt ein Drucksteller Druckluft in einen Raum einströmen, von dem aus die Antriebskraft auf die Greiferbacken übertragen wird. Die Einstellung der gewünschten Antriebskraft ist auch bei diesem Antrieb nur langsam möglich, da der Drucksteller die Luft kurz vor dem Erreichen der gewünschten Kraft nur noch langsam in den Druckraum einströmen läßt. Darüberhinaus müssen auch für das Ansprechen des elektrisch-pneumatischen Druckstellers relativ hohe Zeitverzögerungen in Kauf genommen werden. Die Einstellung einer bestimmten Position der Greiferbacken ist aufgrund der Kompressibilität des verwendeten Gases mit großen Ungenauigkeiten behaftet.

Flüssigkeitsgekuppelte Antriebe besitzen keine Einstellmöglichkeit der Eigendämpfung des Antriebes. Der Antriebsmotor ist mechanisch eng mit den Greiferbacken verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle adaptive Handhabung berührungsempfindlicher Objekte durch einen Handhabungsautomaten (Roboter) zu erreichen. Die dazu erforderliche Antriebsregelung des Robotergreifers soll die schnelle Einstellung der auf das Objekt auszuübenden Sollkräfte und der gewünschten geschwindigkeitsproportionalen Eigendämpfung der Greiferbacken, sowie die schnelle Ausregelung der von den Greiferbacken auf das Objekt und der vom Objekt auf das Fundament des Roboters ausgeübten Störkräfte ermöglichen. Die Adaption der Eigendämpfungen der Greiferbacken und der Antriebskräfte und -momente soll an die von den Greiferbacken auf das Objekt ausgeübten Kräfte und Momente erfolgen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Adaption der Antriebskräfte und -momente der Greiferbackenantriebe an die von den Greiferbacken auf das Objekt ausgeübten Kräfte und Momente kann durch die Robotersteuerung z. B. in der Weise geschehen, daß die ausgeübte Greifkraft, d. h. die Kraft entlang der Verbindungslinie der beiden Backen, entsprechend den an den Backen angreifenden Abzugskräften und -momenten, welche senkrecht zur Greifkraftrichtung wirken, eingestellt wird. Die Abzugskräfte und -momente sind bestrebt, das Objekt aus den Backen herauszuziehen bzw. es innerhalb der Backen zu drehen. Die angeführte Einstellung erlaubt eine möglichst niedrige Greifkraft, wobei das Herausrutschen des Objektes aus den Greiferbacken bzw. die Verdrehung innerhalb der Greiferbacken gerade vermieden wird.

In anderen Adaptionsmodi können die auf das Objekt übertragenen Kräfte an das Bewegungsverhalten des Objektes angepaßt werden. Die Eigendämpfung der Antriebe können je nach der Stoßempfindlichkeit des Objektes an die zu erwartenden Stoßkräfte der beim Ergreifen des Objektes heranfahrenden Greiferbacken oder bei einem eventuellen Anstoßen des gegriffenen Objektes an die zu erwartenden Stoßkräfte und an die von den Greiferbacken ausgeübten Kraftresultierenden angepaßt werden.

Der erfindungsgemäße Greifer umfaßt für jeden Greiferbacken einen Antrieb, bei dem ein mechanischer Motor (z. B. Elektromotor) mit einer Pumpe verbunden ist, die sich mit einem Hydraulikzylinder in einem Ölkreislauf befindet. Im Hydraulikzylinder ist ein verschiebbarer Kolben eingesetzt, welcher über eine Kolbenstange mechanisch mit dem jeweiligen Greiferbacken verbunden ist. Im Kolben befindet sich ein verschiebbarer Spalt, durch den das Öl den Kolben durchströmen kann. Zur Verringerung der Wandreibung kann der Außendurchmesser des Kolbens etwas geringer als die Bohrung des Hydraulikzylinders gewählt werden.

Strömt das Öl durch den Kolben und evtl. auch außen am Kolben vorbei, so ergibt sich beim Durchströmen der Spalte ein Druckverlust. Daraus resultiert eine Druckdifferenz über dem Kolben, welche proportional zu der an der Kolbenstange erzeugten Kraft ist. In den Spalten kann sich eine Poiseuille-Strömung ausbilden, wobei die Druckdifferenzen und damit die Antriebskraft an der Kolbenstange proportional zum Spaltstrom wächst. Der Spaltstrom setzt sich aus der Differenz des durch die Pumpe fließenden Ölstromes und des vom sich bewegenden Kolben verdrängten Ölstromes zusammen. Da der durch die Pumpe fließende Ölstrom proportional zur Drehzahl der Pumpe und damit proportional zur Drehzahl des Antriebsmotors ist, kann unter Berücksichtigung der Kolbengeschwindigkeit die Antriebskraft auch während der Bewegung des Kolbens über die Drehzahl des Antriebsmotors eingestellt werden. Bei ruhendem Kolben wird dabei die gesamte mechanische Energie des Pumpenmotors in dem durch die Spalte und Leitungen strömenden Öl in Wärme umgesetzt.

Eine weitere Einstellmöglichkeit ist durch die Veränderung der Spalthöhe im Kolben gegeben. Durch die Änderung der Spalthöhe kann das Verhältnis der Antriebskraft zum Spaltstrom, welches einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfung entspricht, eingestellt werden.

Die Regelung der Antriebskraft und der Eigendämpfung eines Antriebes erfolgt durch eine Regelungseinrichtung, die nach dem im Fig. 2 gezeigten Blockschaltbild aufgebaut ist. Die Anpassung der Antriebskraft erfolgt im wesentlichen über die Einstellung der Drehzahl des Pumpenmotors. Treten äußere Bedingungen auf, die zur Aufrechterhaltung einer eingestellten Soll-Antriebskraft die Bewegung einer Greiferbacke erfordern, so kann diese ohne Änderung der Drehzahl des Antriebsmotors selbständig zurückweichen oder wird selbständig nachgeführt. Bei Änderungen der Soll-Antriebskraft stellt die Regelung die für diese Kraft notwendige Motordrehzahl ein. Danach nimmt die Greiferbacke die Stellung, bei der diese Antriebskraft übertragen wird, selbständig ein. Eine Stellungsänderung der Greiferbacken und der damit verbundenen Hydraulikkolben vollzieht sich wegen der Durchlässigkeit der Kolben ohne daß dazu ein größeres Ölvolumen beschleunigt werden muß.

Fig. 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Draufsicht auf den Zweibacken-Robotergreifer. Die örtlich vom Hydraulikzylinder getrennte Pumpe (2), die vom Motor (1) angetrieben wird, ist über zwei Hydraulikschläuche (7 und 8) mit dem Antriebszylinder (3) des um die Drehachse (4) beweglichen linken Greiferfingers (5) und der daran angeschlossenen Greiferbacke (6) verbunden. Im Hydraulikzylinder (3) befindet sich ein Kolben (9), der beiseitig in einer Stange (10 und 11) endet. Die Kolbenstangen (10 und 11) treten an den beiden Enden des Hydraulikzylinders aus. Der Kolben (9) treibt die Greiferbacke (6) über die Kolbenstange (10), den Hebel (12) und den Greiferfinger (5) an.

Innerhalb des Kolbens (9) befindet sich ein verschiebbarer Kegel (13), der von einem zweiten Motor (14) über einen Hydraulikkolben (15), einen Hydraulikschlauch (16) und die mit einer Bohrung versehene rechten Kolbenstange (11) hydraulisch angetrieben wird. Durch die Lageänderung des Kegels (13) kann der Spalt zwischen dem Kegel (13) und der konischen Ausdrehung innerhalb des Kolbens (9) verändert werden. Bei geöffnetem Spalt kann das von der Pumpe (2) bewegte Hydrauliköl den Kolben (9) durch den Spalt und die beidseitig des Spaltes vorhandenen Bohrungen durchströmen.

Durch die zwischen den Meßfedern (20) und dem Deckel (17) angeordneten Federpakete (19) wird eine definierte Nachgiebigkeit der Greiferbacke (17) senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung erreicht. Mit Dehnungsmeßstreifen ausgerüstete, senkrecht zueinander angeordnete Meßfederpaare (20) sind innerhalb der Greiferbacken angebracht und leiten die vom Greiferantrieb ausgeübten Kräfte auf den Deckel (18) weiter, der die Meßfedern umschließt. Dieser Deckel wird von der ebenfalls deckelförmig ausgebildeten Greiferbacke (17) umschlossen. Die Federpakete (19) ermöglichen einen rutschfreien Anhebevorgang eines gewichtigen Handhabungsobjektes, wobei die Antriebskraftregelungen der Greiferbacken die Antriebskraft während der Dehnung der Federn (19) erhöhen können.

Vor dem Anschlußflansch (21) ist der Greifer an einer Welle (22) drehbar gelagert. Die Abstützung des Greifers um diese Drehachse erfolgt über eine Wägezelle (23) und über die beidseitig an der Wägezelle angebrachten Blattfedern (24) auf den Anschlußflansch (21). Die Wägezelle dient zur Momentenmessung um die Drehachse der Welle (22). Da die Gelenkachsen der Greiferfinger (5 und 25) senkrecht zur Drehachse der Welle (22) liegen, werden die an den Greiferbacken (6 und 17) angreifenden Momente um parallel zur Welle (22) liegende Achsen über die Greiferfinger und über die Drehachse der Welle (22) auf die Wägezelle (23) übertragen. Die Messung aller übrigen auf die Greiferbacken (6 und 17) wirkenden äußeren Kräfte und Momente als Eingangsgrößen für die Robotersteuerung erfolgt durch zwölf mit Dehnungsmeßstreifen versehene Federanordnungen (20 und 26). Diese integrierte Anordnung der Kraft- und Momentenmeßeinrichtungen zur Messung aller auf die Greiferbacken wirkenden äußeren Kräfte und Momente ermöglicht unter anderem eine kompakte Bauweise des Greifers.

Der in Fig. 1 gezeigte Greifer besitzt für die beiden Greiferfinger (5 und 25) und den daran angeschlossenen Greiferbacken (6 und 17) jeweils einen eigenen Antrieb. Der symmetrisch zur Greiferlängsachse (27) angeordnete Antrieb des rechten Greiferfingers (25) befindet sich unterhalb der Greifergrundplatte (28). Bei der beidseitigen Kraftaufbringung auf ein zwischen den Greiferbacken befindliches Objekt tritt eine Verspannung der beiden Antriebe auf. Bei dieser Antriebsart ist eine Verspannung in einfacher Weise möglich, da die Antriebskräfte unabhängig von der Lage der Kolben im Hydraulikzylinder übertragen werden. Die Verspannung der beiden Greiferbackenantriebe gewährleistet eine symmetrische Dämpfungskraft in positiver und negativer Bewegungsrichtung der Backen. Zusätzlich kann einer der Antriebe zur Kompensation einer einseitig wirkenden Störkraft, z. B. der Gewichtskraft des Handhabungsobjektes oder eines Greiferbackens, ausgenutzt werden. Darüberhinaus kann die Anordnung zweier gegeneinander wirkenden Antriebe zur Eliminierung des Lagerspieles des Hydraulikzylinderlagers (29), des Kolbenstangenlagers (30) und des Greiferfingerlagers (4) ausgenutzt werden. Die gegenseitige Verspannung der beiden Greiferbackenantriebe gewährleistet darüberhinaus beim Anstoßen des Handhabungsobjektes ein selbständiges Zurückweichen bzw. Nachführen der Greiferbacken, ohne das Greifobjekt dabei loszulassen. Beim Ausweichvorgang ergibt sich eine in positive und negative x-Richtung symmetrische Dämpfungskraft.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild der Regelungseinrichtung eines Greiferantriebes. (41) zeigt die Regelungsstruktur der Antriebskraftregelung und der Regelung der geschwindigkeitsproportionalen Eigendämpfung eines Antriebes. Die Robotersteuerung liefert die Eingangssollgrößen der Antriebskraft (F)soll und der Antriebsdämpfung (F/ω)soll. Dieser Teil der Regelung ist für jeden Antrieb separat vorhanden.

Die Antriebskraftregelung und die Regelung der Antriebsdämpfung sind kaskadenförmig strukturiert. Sie zeichnen sich durch eine gemeinsame äußere Rückführung (43) aus, wobei mittels der Meßsignale der Antriebskraft F und der Pumpmotordrehzahl ω ständig der aktuelle (F/ω)-Istwert (44) gebildet wird.

Der Aufbau der Regelungen ist der Strömungsform des Öles im Kolbenspalt angepaßt. Beim Durchströmen des Kolbens bildet sich im Spalt näherungsweise eine Poiseuille-Strömung aus. Wird die Gleichung der Poiseuille-Strömung auf die Regelstrecke der Antriebsregelung übertragen, so verhält sich die scheinbare dynamische Zähigkeit des Hydrauliköles

η_s ∼ (F/ω) · h³. (1)

Die Antriebskraft F entspricht hierbei dem Druckabfall der Spaltströmung, die Motordrehzahl ω entspricht bei ruhendem Kolben der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Schergeschwindigkeit im Spalt und h ist die Spalthöhe. Die Zähigkeit η_s ist von den drei in der Gleichung (1) rechts stehenden Parametern weitgehend unabhängig. Sie wird in erster Linie von der Öltemperatur T beeinflußt. Die Öltemperatur ändert sich jedoch relativ langsam, so daß bei schnellen Änderungen der Motorendrehzahl oder der Spalthöhe die Zähigkeit als konstant angesetzt werden kann. Die Soll-Antriebskraft wird über die Pumpmotordrehzahl eingestellt, der (F/ω)-Sollwert wird über die Spalthöhe und damit über die Lage des im Kolben verschiebbaren Kegels (13) eingestellt. Da die Regelstrecke der Pumpmotordrehzahlregelung eine niedrigere Ordnung besitzt als die Regelstrecke der Kegellageregelung, kann die Antriebskraftregelung schneller ausgeführt werden als die Regelung der Eigendämpfung eines Antriebes ((F/ω)-Regelung).

Bei schnellen Antriebskraftänderungen kann daher die Änderung der Spalthöhe vernachlässigt werden. Mit dieser Annahme ist bei schnellen Antriebskraftänderungen die scheinbare dynamische Zähigkeit nur noch dem (F/ω)-Istwert proportional:

η_s ∼ F/ω

Bleibt bei Drehzahländerungen der η_s-Wert konstant, so folgt daraus:

F/ω = konstant = F_ist/ω_ist = F_soll/ω_soll

Aus dieser Gleichung wird die Solldrehzahl ermittelt:

ω_soll = F_soll · ω_ist/F_ist

Bei der Antriebskraftregelung wird auf diese Weise die Solldrehzahl des Antriebsmotors aus der Soll-Antriebskraft bestimmt. Dieser Drehzahlsollwert wird einer unterlagerten Drehzahlregelung zugeführt. Nach Einstellung der Solldrehzahl wird am Ausgang der aus Motor, Pumpe und Hydraulikzylinder bestehenden Regelstrecke die gewünschte Antriebskraft ausgeübt.

Die scheinbare dynamische Zähigkeit η_s ist neben der Öltemperatur auch von der Schergeschwindigkeit des Öles im Spalt und damit während der Übertragung einer Antriebskraft von der Motordrehzahl abhängig. Diese Abhängigkeit ist jedoch gering (scheinbare dynamische Zähigkeit η_s ≈ dynamische Zähigkeit η), so daß sich beim Einstellen einer Antriebskraft durch die ständige Aktualisierung des (F/ω)-Istwertes und die Neuberechnung der Solldrehzahl dennoch die gewünschte Antriebskraft erreichen läßt. Ebenso können auf diese Weise Änderungen des (F/ω)-Wertes durch die relativ langsame Spalthöhenregelung sowie Änderungen der Öltemperatur berücksichtigt werden.

Die Einstellungsvorschrift der Sollspalthöhe aus dem (F/ω)-Sollwert ergibt sich aus Gleichung (1). Bleibt die Zähigkeit η_s bis zur Einstellung des (F/ω)-Sollwertes konstant, so folgt daraus:

(F/ω) · h³ = konstant = (F/ω)_ist · h³_ist = (F/ω)_soll · h³_soll

Aus dieser Gleichung läßt sich die einzustellende Spalthöhe errechnen:

Die innerhalb der (F/ω)-Regelung auf diese Weise ermittelte Sollspalthöhe wird von einer unterlagerten Kegellageregelung (bestehend aus Lageregler, Lageregelstrecke, Spalthöhenmeßeinrichtung und Soll-Istwertvergleich der Spalthöhen) eingeregelt.

Der (F/ω)-Istwert kann jedoch nur während eines Belastungsvorganges und bei geöffnetem Spalt, wenn also eine Antriebskraft F und eine Drehzahl ω vorliegt, aus den gemessenen Werten der Antriebskraft und der Motordrehzahl bestimmt werden. Hat sich das Hydrauliköl nach längerem Stillstand eines Pumpmotors abgekühlt und beginnt danach ein neuer Bewegungsvorgang ohne Last, so kann kein aktueller (F/ω)-Istwert errechnet werden. Um dennoch einen (F/ω)-Istwert zur Anpassung gegenüber evtl. auftretenden äußeren Störkräften zu erhalten, kann der (F/ω)-Istwert auch indirekt durch Messung der Öltemperatur am Kolbenspalt und der Spalthöhe gewonnen werden.

Dazu ist, separat für jede Antriebsregelung, eine Vorrichtung vorgesehen, die in Fig. 2 unter (42) gezeichnet ist. Dabei wird aus der Öltemperaturmessung und der η-T-Kennlinie des Öles die dynamische Zähigkeit η ermittelt. Damit läßt sich, unter Einbezug der gemessenen Spalthöhe h, nach Gleichung (1) ein (F/ω)-Istwert errechnen:

F/ω = K · η/h³  K = Konstante (2)

Ist keine Bestimmung des (F/ω)-Istwertes aus den Meßwerten der Antriebskraft und der Motordrehzahl möglich, so kann durch die Umlegung des Schalters S₄ der aus den Meßwerten der Öltemperatur und der Spalthöhe mit Hilfe der Gleichung (2) gewonnene (F/ω)-Istwert als Eingangsgröße für die Antriebskraftregelung verwendet werden.

Bei geschlossenem Spalt ist über die Motordrehzahl keine Einstellung der Antriebskraft möglich. Um dennoch eine Antriebskraftregelung durchführen zu können, muß auf eine konventionelle Lageregelung mit unterlagerter Drehzahlregelung zurückgegriffen werden. Dabei muß die Robotersteuerung einen zusätzlichen Lagesollwert für einen Antrieb ausgeben, welcher auf einen separaten Lageregler aufgeschaltet wird. Der vom überlagerten Lageregler ausgegebene Drehzahlsollwert dient dann als Eingangsgröße der in Fig. 2 eingezeichneten Drehzahlregelung.

(40) zeigt die Regelungskomponenten zur symmetrischen Ausrichtung der Greiferbacken. Diese Einrichtung kann bei Bedarf durch den Schalter S₁ aktiviert werden. Die Regelungseinrichtung ist auch auf Greifer mit mehreren Fingergelenken anwendbar.

Claims (4)

1. Robotergreifer zur adaptiven Handhabung berührungsempfindlicher Objekte mit einer Regelungseinrichtung für eine Antriebskrafteinstellung und für eine geschwindigkeitsproportionale Dämpfungseinstellung an den Greiferbacken, mit einer integrierten Meßeinrichtung zur Messung der vom Handhabungsobjekt auf die Greiferbacken wirkenden äußeren Kräfte und Momente, mit einer Antriebskraftübertragung jeweils ausgehend von einem mechanischen Motor über eine im Ölkreislauf mit einem Hydraulikzylinder geschaltete Hydraulikpumpe auf einen im Hydraulikzylinder verschiebbaren Kolben und einen mit diesem mechanisch verbundenen Greiferbacken, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (1) drehzahlgesteuert ist und daß der Kolben (9) im Inneren einen verstellbaren Spalt (31) aufweist, durch den das Öl unter Druckverlust den Kolben durchströmen kann.

2. Robotergreifer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Greiferbacken (6 und 17) mit Dehnungsmeßstreifen versehene senkrecht zueinander stehende Meßfedern (20) und an den Greiferfingern (5 und 25) mit Dehnungsmeßstreifen versehene Meßfedern (26) angeordnet sind und eine Wägezelle (23) am Anschlußflansch des Greifers angebracht ist zur Messung der in allen drei orthogonalen Raumrichtungen wirkenden äußeren Kräfte und Momente als Eingangsgrößen für die Antriebsregelungen des Robotergreifers (Fig. 2).

3. Robotergreifer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Greiferbacken (6 und 17) und den die Meßfedern (20) umschließenden Deckeln (18) wellenförmige Federn (19) angebracht sind.

4. Robotergreifer nach Anspruch 1 und 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung über gemessene Werte von Antriebskraft, Drehgeschwindigkeit des Motors (1) und Höhe des Spaltes (31) zur Erreichung der gewünschten Antriebskraft und Dämpfung die erforderliche Motordrehzahl und Höhe des Spaltes (31) liefert.