DE3835715A1 - Automatic gripping device - robot head - for picking, gripping, moving and releasing objects, in particular fruit - Google Patents
Automatic gripping device - robot head - for picking, gripping, moving and releasing objects, in particular fruitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Robotvorrich tung, die dazu dient, daß sie auf Wirkung von durch darin eingebauten Fühler-, Signalgebereinheits-TV- Kamera, Ultraschall-Distanzmesser, Radar-Parabolen antenne - gegebenen und empfangenen elektronischen Signalen, die durch einen zentralen Komputer ausgewer tet sind, ihren Ort auf Wirkung der Bewegung eines diese tragenden Armes verändern kann, weiterhin durch die Bewe gung ihrer Greiffinger durch darin eingebauten / zur Dre hung nach rechts und links fähigen / Elektromotors, Hydro motors oder Luftmotors Gegenstände ergreifen, zusammen gedrückt halten, um eine horizontale oder vertikale Achse gedreht abpflücken, bewegen und loslassen kann. Die Vor richtung kann vorteilhaft zum Pflücken von schwierig er reichbaren - hoch oder tief liegenden - Gegenständen, z. B. sich an Bäumen befindlichen Früchten - Äpfel, Bir nen, Zitronen usw. - verwendet werden. Die Funktionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mit ihrer mit Lauf werk versehenen Grundmaschine verbunden, deren Aufgabe die Energieversorgung und die Anordnung des Komputers ist.The invention relates to a robot device tion, which serves to act on by built-in sensor, signaling unit TV Camera, ultrasonic range finder, radar parabolic antenna - given and received electronic Signals evaluated by a central computer are their location on the effect of movement of one of these supporting arm can continue to change through the movement their gripper fingers through built-in / for rotation hung right and left capable / electric motor, hydro motors or air motor grab objects together Hold down around a horizontal or vertical axis pick, move and let go when rotated. The before Direction can be advantageous for picking difficult ones accessible - high or low lying - objects, e.g. B. Fruits on trees - apples, birches Nes, lemons, etc. - can be used. The functioning the device according to the invention is running with it connected basic machine, its task the power supply and the arrangement of the computer is.
Die bisher bekannten Vorrichtungen haben die modernsten Errungenschaften der Elektronik zur Lösung der Steuerung nicht verwendet. So ist die elektronische Steuerung der Greifvorrichtung nach der das modernste Niveau repräsen tierenden ungarischen Patentanmeldung unter dem Akten zeichen 2251/1165/82, der DD-PS 2 30 744 und der FR-PS 83 05 324 nicht gelöst, das heißt das Zusammendrücken und Öffnen der Finger des Greifkopfes erfolgt nicht durch das Wahrnehmen durch den Kopf, sondern durch dessen Hand schaltung.The previously known devices have the most modern Achievements of electronics to solve the control not used. So is the electronic control of the Gripping device according to which represent the most modern level Hungarian patent application under the file mark 2251/1165/82, the DD-PS 2 30 744 and the FR-PS 83 05 324 not released, that is, the compression and the fingers of the gripping head are not opened by perception through the head, but through its hand circuit.
Aus diesem Grund ist die Betätigung der Greifvorrich tungen nach den oben genannten Patentbeschreibung schwie rig, das Wahrnehmen der gezielten Gegenstände ist nicht gelöst, ihre Annäherung ist unsicher und langsam, und die Leistung der derartigen Maschinen ist nicht befriedigend.For this reason, the operation of the gripping device cations according to the above-mentioned patent specification rig, the perception of the targeted objects is not resolved, their approach is uncertain and slow, and that Performance of such machines is not satisfactory.
In der Fachliteratur ist keine derartige Obst- bzw. Gegenstand-Greifvorrichtung aufzufinden, in der die auf dem Prinzip der elektronischen TV-Kamera, der Ultraschall- Distanzmesseroptik und des Radars funktionierende Sender empfängereinrichtung bzw. das Auswertungssystem des zentra len Komputers derart eingebaut sind, daß diese sich mit dem Greifkopf gemeinsam bewegen können und zugleich die wichtigsten Mittel der Regelung der durchzuführenden Ar beit sind.There is no such fruit or Find the object gripping device in which the the principle of the electronic TV camera, the ultrasound Distance measuring optics and the radar functioning transmitter receiver device or the evaluation system of the zentra len computers are installed so that they are the gripping head can move together and at the same time the main means of regulating the work to be carried out are ready.
Die den modernsten Stand der Technik repräsentierende Vorrichtung nach der ungarischen Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 2251/2832/80 verwendet zwar den zentralen Kom puter, die Kameras, den Ultraschall-Distanzmesser und -analisator, den Formanalisator, aber an der Bodeneinheit der Vorrichtung und nicht am Greifkopf, der sich in der Luft bewegt und nach den Gegenstand - das Obst - sucht.The state-of-the-art technology Device according to the Hungarian patent application under the Case number 2251/2832/80 uses the central comm computers, the cameras, the ultrasonic distance meter and -analizer, the shape analyzer, but on the floor unit the device and not on the gripping head, which is in the Air moves and searches for the object - the fruit.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen ist, daß diese neben dem Ergreifen des Obstes, oder Gegen standes - z. B. Glühbirne - zum mehrmaligen Drehen um des sen Stiel, horizontale Achse nicht oder nicht wirksam fä hig sind.Another disadvantage of the known devices is that this next to grabbing the fruit, or counter befitting - e.g. B. lightbulb - to rotate several times around the stalk, horizontal axis not or not effective are.
Der erfindungsgemäßen Greifvorrichtung - die eigent lich eine Teileinheit eines Robots ist - liegt die Erkennt nis zugrunde, daß das schnelle und präzise Wahrnehmen des Zielgegenstandes durch eine das menschliche Auge nachahmen de Vorrichtung auf moderne Weise gelöst werden kann, die Annäherung des Zielgegenstandes aufgrund dieser Wahrneh mung aufgrund Messung erfolgen kann, das heißt damit die Finger der Vorrichtung dem Maß der Annäherung in geringer Distanz entsprechend schneller oder langsamer fortschreiten und sich nicht an den Zielgegenstand anstoßen, und diesen ergreifend diesen der menschlichen Hand ähnlich in hori zontaler Richtung drehen können.The gripping device according to the invention - the actual is a subunit of a robot - that is the finding nis that the quick and precise perception of the Target object by mimicking the human eye de device can be solved in a modern way, the Approach the target object based on this perception measurement can take place on the basis of measurement, that is to say the Fingers of the device the degree of approach in less Proceed distance faster or slower accordingly and not bump into the target object, and this gripping that similar to the human hand in hori zontal direction can rotate.
In einer diese Bedingungen zufriedenstellenden Vorrich tung sollen zur gemeinsamen Funktionierung fähig ein Stück TV-Kamera, die den Raum in seinen natürlichen Farben wahrnimmt und die Farben voneinander unterscheidet, weiterhin die Punktkoordinaten mißt, ihre Form ana lysiert und mit einem Etalon vergleicht, weiterhin ein Stück Gerät - zweckmäßig ein Ultraschall ausgebender und empfangender - Polaroid-Objektiv, der mittels stän digem Wahrnehmen des Abstandes des Zielgegenstandes den Annäherungsabstand mißt und dementsprechend die Annähe rungsgeschwindigkeit des Greifkopfs regelt, schließlich die Antenne, die Strahlengeber- und -empfängerfühler ei nes einfachen Radargerätes, die das Wahrnehmen und Si gnalgeben der vorerwähnten Vorrichtung kontrolliert und im Falle eines Fehlers auslöst, angeordnet werden. Die Anordnungen dieser drei elektronischen Geräte sollen einander nicht stören, ihr Schutz gegen Anstoßen soll mittels eingebauten Fühlern bzw. Netzen, und deren Lei tungen gesichert werden. Weiters sollen die mit Strom quelle und Betätigungselementen verbundenen Leitungen und Schalter der Geräte und Fühler, weiterhin die Betä tigungselemente selbst, also der energieversorgende Mo tor, das Getriebe und die Greiffinger angeordnet werden. Schließlich soll die Vorrichtung derart aufgebaut wer den, daß sie nach dem Ergreifen zur Durchführung einer Drehung um eine horizontale zentrale Achse fähig sei.In a device satisfying these conditions tion should be able to work together a bit TV camera that shows the room in its natural colors perceives and distinguishes the colors from each other, continues to measure the point coordinates, their shape ana lysed and compared to an etalon, continues Piece of device - expediently emitting an ultrasound and receiving - polaroid lens, which by means of stand perceiving the distance of the target object Approach distance measures and accordingly the approach speed of the gripping head regulates, finally the antenna, the radiation transmitter and receiver sensors nes simple radar, the perception and Si signaling of the aforementioned device is checked and triggers in the event of an error. The Arrangements of these three electronic devices are said to not disturb each other, their protection against bumping should by means of built-in sensors or nets, and their lei be secured. Furthermore, they should have electricity Source and actuators connected lines and switches of the devices and sensors, continue the bet elements themselves, i.e. the energy-supplying Mo gate, the gearbox and the gripper fingers can be arranged. Finally, the device should be constructed in such a way the one that they take to carry out a Rotation about a horizontal central axis.
Mit der Erfüllung der obigen Bedingungen können die in der Zielsetzung benannten Ziele erreicht werden.With the fulfillment of the above conditions, the objectives stated in the objective can be achieved.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich tung wird aufgrund der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtAn embodiment of the device according to the invention tion is closer due to the drawings explained. It shows
Fig. 1 - den Längsschnitt des nach vorne ragenden Teiles der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 - the longitudinal section of the forward projecting portion of the apparatus according to the invention,
Fig. 2 - den Längsschnitt des hinteren Teiles der erfin dungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 - is a longitudinal section of the rear part of the device according OF INVENTION dung,
Fig. 3 - die Stirnansicht der erfindungsgemäßen Vorrich tung,Processing the end view of Vorrich invention, - Fig. 3
Fig. 4 - den B-B-Schnitt des Elektromotors, Fig. 4 - the BB fraction of the electric motor,
Fig. 5 - die Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 5 - the side view of another embodiment of the device according to the invention.
Eine mögliche beispielsweise dargestellte Ausführungs form - wie das aus den Fig. 1, 2, 3 und 4 ersichtlich ist - ist eine mit vier Greiffingern versehene Greifvor richtung, die am Arm 1 mittels dem Greifkopfhalterbolzen 2 befestigt ist.A possible embodiment shown for example - as can be seen from FIGS. 1, 2, 3 and 4 - is a four gripping fingers provided Greifvor direction, which is attached to the arm 1 by means of the gripping head holder bolt 2 .
Das den Elektromotor 3 beinhaltende Gehäuse ist mit dessen Antriebswelle 4, mit dem daran angeschlossenen Zahnrad 5 und mit dem Schrank des den Zahnrad 5 antrei benden Getriebe in einer Einheit gebaut. An beiden Wänden des Getriebegehäuses 23 sind die Antriebswelle 4 und die Austriebswelle 6 befestigt, an denen der ganze Stirnteil der Drehkonstruktion bei der Bewegung des Schließbolzens 25 auf Wirkung des Elektromagnets 24 drehfrei wird. Die Konstruktion funktioniert im geschlossenen Zustand des Schließbolzens 25. Die Funktionierung der bunten TV- Kamera, des Ultraschall-Distanzmessers 16 und der Radar antenne 17 ist in dem Komputer ausgewertet, der an der in der ungarischen Patentanmeldung unter dem Akten zeichen 2251/2832/80 beschriebenen Kraftmaschine an geordnet ist. Die TV-Kamera 15, der Ultraschall-Distanz messer 16 und die Radarantenne 17 sind durch die während der Auswertung erhaltenen Signale miteinander in inter aktiven Verbindung.The housing containing the electric motor 3 is built with its drive shaft 4 , with the gear 5 connected to it and with the cabinet of the gear 5 driving gear in one unit. On both walls of the gear housing 23 , the drive shaft 4 and the output shaft 6 are fastened, on which the entire end part of the rotating structure becomes free of rotation when the locking bolt 25 moves due to the action of the electromagnet 24 . The construction works in the closed state of the locking bolt 25 . The functioning of the colorful TV camera, the ultrasonic distance meter 16 and the radar antenna 17 is evaluated in the computer, which is arranged on the engine described in the Hungarian patent application under the file number 2251/2832/80. The TV camera 15 , the ultrasonic distance meter 16 and the radar antenna 17 are in interactive connection with one another by the signals obtained during the evaluation.
Während der Funktionierung der TV-Kamera 15 erschei nen die zum Pflücken vorgesehenen Gegenstände, z. B. Obst im Raum vor der Greifvorrichtung in der vorbestimmten Far be. Der Ort - die Koordinaten - des Zielgegenstandes auf grund des Farbennetzes des der Farben des Zielgegenstandes entsprechend veränderbaren Farbfilters wird aufgrund des entsprechenden Programms im Komputer 32, in dessen Memo rie gespeichert. In Startlage richtet sich der Ultra schall-Distanzmesser 16 in der durch den Arm 1 des Greif kopfes bestimmten Ebene auf denjenigen Punkt des Raumes, wo sich der Zielgegenstand befindet. Das Ziel laut des Programmes ist der über die in seiner Ebene befindlichen bestimmten Koordinaten verfügende Gegenstand, der in der Memorie des Komputers 32 ein gegebener Punkt ist. Die er forderliche Bewegung ist durch die Koordinatenwertdiffe renz des geometrischen Zentripunktes des Zielgegenstandes und der Greifvorrichtung bestimmt, beide Werte sind im Komputer 32 bekannt. Während die Betätigungsarme 1 und 28 den Greifkopf auf das durch den Komputer 32 erzeugte Si gnal nach vorwärts bewegen, mißt der Ultraschall-Distanz messer 16 den Abstand des durch den Komputer 32 angegebe nen Zielpunktes vom Mittelpunkt der Finger der Greifvor richtung und wenn der Greifkopf in einen vorbestimmten nahen Abstand gelangt, wird seine Bewegung durch die Betätigungsarme 1 und 28 verlangsamt, die vier Greif finger umnehmen den Zielgegenstand und - ebenfalls auf Wirkung des Signals des Ultraschall-Distanzmessers 16 - wenn der Zielgegenstand in einem vorbestimmten nahen Ab stand ist, startet der Elektromotor 3 auf Wirkung des Be fehlssignals des Komputers 32 und schließt die Greiffin ger 13. Mit diesem Schließen wird der Elektromagnet 24/2 durch den Schalter 24/1 betätigt und dadurch wird der Schließbolzen 25 geöffnet. Nun trennt die Feder 34 den Stirnteil ab, der an der Welle 6 nach vorne rutscht.During the functioning of the TV camera 15 , the items intended for picking appear, e.g. B. Fruit in the room in front of the gripping device in the predetermined color. The location - the coordinates - of the target object on the basis of the color network of the color filter which can be changed in accordance with the colors of the target object is stored on the basis of the corresponding program in the computer 32 , in its memory. In the starting position, the ultrasonic distance meter 16 is directed in the plane determined by the arm 1 of the gripping head to that point of the room where the target object is located. The goal according to the program is the object having the given coordinates located in its plane, which in the memory of the computer 32 is a given point. The required movement is determined by the coordinate value difference of the geometric center point of the target object and the gripping device, both values are known in the computer 32 . While the actuating arms 1 and 28 move the gripping head forward on the signal generated by the computer 32 , the ultrasonic distance meter 16 measures the distance of the target point indicated by the computer 32 from the center of the fingers of the gripping device and when the gripping head is in a predetermined close distance, its movement is slowed down by the actuating arms 1 and 28 , the four gripping fingers take over the target object and - also on the effect of the signal of the ultrasonic distance meter 16 - when the target object was in a predetermined close range, starts Electric motor 3 on the action of the command signal from the computer 32 and closes the gripper finger 13 . With this closing the electromagnet 24/2 is actuated by the switch 24/1 and the locking bolt 25 is thereby opened. Now the spring 34 separates the end part that slides forward on the shaft 6 .
Da mit dem Schließen der Greiffinger 13 der Schnecken antrieb 11 in eine Totpunktlage gelangt, wird die Welle 4 durch den an den Elektromotor 3 angegebenen Befehl des Kom puters 32 mittels einer durch den Zeitrelais 26 gemessenen Instruktion gedreht, wonach die Welle 4 den infolge des Öffnens des Bolzens 25 freistehenden ganzen vorderen Greifkonstruktionsteil umdreht und auf diese Weise wird das durch die Greiffinger zusammengedrückte Obst, z. B. Apfel von seinem Stiel getrennt.Since with the closing of the gripping fingers 13 of the worm drive 11 reaches a dead center position, the shaft 4 is rotated by the command given to the electric motor 3 by the computer 32 by means of an instruction measured by the timing relay 26 , after which the shaft 4 is the result of the opening of the bolt 25 freestanding whole front gripping structure part is turned over and in this way the fruit compressed by the gripping fingers, e.g. B. Apple separated from its stem.
Dem Komputerprogramm entsprechend, alternativ, auf Wirkung des Zeitrelais läuft der Arm 1 zurück und legt das durch die Greifkonstruktion gedrückte Obst, z. B. Apfel in die an der Grundmaschine angeordnete Kiste, und zwar derart, daß der Komputer 32 dem Elektromotor 3 einen Befehl zur entgegengesetzten Drehrichtung gibt, die Greiffinger 13 darauf das Obst /Apfel, Zitrone, Orange, Birne/ loslassen und so der Schalter 24/1 öff net, der Elektromagnet den Bolzen 25 schließt, der den vorderen Teil der Greifkonstruktion befestigt und der Arbeitsvorgang kann von vorne starten. Das Pflücken ist durch den Komputer 32 mittels Löschen der entsprechenden Memoirenstelle quittiert.According to the computer program, alternatively, on the action of the time relay, arm 1 runs back and places the fruit pressed through the gripping structure, e.g. B. apple in the box arranged on the basic machine, in such a way that the computer 32 gives the electric motor 3 a command for the opposite direction of rotation, then the gripper fingers 13 release the fruit / apple, lemon, orange, pear / and so the switch 24 / 1 öff net, the electromagnet closes the bolt 25 , which fixes the front part of the gripping structure and the work process can start from the beginning. The picking is acknowledged by the computer 32 by deleting the corresponding memoir location.
Im Komputer 32 ist ein gesondertes Programm für den Signalempfang und Regeltätigkeit des Senderempfängers - Radarzentrums 33 - der auf dem Radarprinzip funktio nierenden Parabolantenne gespeichert, deren Funktion mit dem bei der Vorrichtung 15 beschriebenen und auch mit dem in der ungarischen Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 2251/2832/80 identisch ist.In the computer 32 a separate program for the signal reception and control activity of the transceiver - radar center 33 - of the parabolic antenna functioning on the radar principle is stored, the function of which is described with the device 15 and also with that in the Hungarian patent application under the file number 2251/2832 / 80 is identical.
Da auf Wirkung des Betriebs der Grundmaschine ein Geschüttel auftreten kann, infolge dessen die Greifvor richtung den Zielgegenstand verliert - also eine Winkel abweichung entsteht -, ist es erforderlich, daß die Vor richtung das zu korrigieren fähig ist. Diese Korrektion ist durch die TV-Kamera 15 mittels einem Farbfilter auf grund dessen durchgeführt, daß das Bild des Zielgegen standes an einem fixen Ort in der Nähe des Mittelpunktes der Kamera sein soll, und wenn er sich von diesem Punkt bewegt, gibt der Komputer einen Befehl zur Durchführung der Korrektion.Since a shake may occur due to the operation of the basic machine, as a result of which the Greifvor device loses the target object - that is, an angular deviation arises - it is necessary that the device be able to correct this before. This correction is carried out by the TV camera 15 by means of a color filter on the basis that the image of the target object should be at a fixed location near the center of the camera, and if it moves from this point, the computer gives one Command to carry out the correction.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der das Obst um seinen Stiel drehende Teil nicht durch die Bauteile vor der Ebene A-A, sondern vor der Ebene D-D gebildet. Hier sind die elektronischen Elemente 15, 16 und 17 am Stirnteil, von der Zentriwelle weiter ent fernt angeordnet, damit sich das Getriebe 10, 11, das die den Greifkopf antreibende Spiralwelle betätigt, neben den erwähnten elektronischen Elementen im Kreis verdrehen kann. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungs form darin, daß die Umdrehung nur durch die Greiffinger gemeinsam mit der Antriebsschnecke durchgeführt ist, und die anderen Teile der Greifkonstruktion in einer relati ven Ruhe sind. Die Umdrehung erfolgt derart, daß die Greiffinger 13 - nachdem sie das Obst ergriffen haben - die Wände E und L auf Wirkung des durch den Schalter 24/1 betätigten Elektromagnete 38, 39 oder auf Wirkung einer geeignet angeordneten Feder auseinanderdrücken und der Dorn 40 am Ende der Welle 6 sich in die Nut des Lager deckels 41 eindrückt, wonach sich der ganze Stirnteil mehrmals umdreht und das Obst von seinem Stiel trennt. Nach Beendigung der programmgemäßen Drehung zieht die Feder 40 die Wände E und L zusammen, wobei die Zentra lisierungsmagnete 35 - während Synchronisierung der zwei Wände - die Keilwelle 36 in die Keilhülse 37 hinein schieben und infolge dessen der Arbeitsvorgang wieder holt werden kann.Another embodiment of the invention is shown in FIG. 5. In this embodiment, the part rotating the fruit around its stem is not formed by the components in front of the plane AA , but in front of the plane DD . Here are the electronic elements 15, 16 and 17 on the front part, further away from the central shaft, so that the gear 10, 11 , which actuates the gripping head driving spiral shaft, can rotate in a circle next to the electronic elements mentioned. This embodiment differs from the embodiment shown in FIGS. 1, 2 and 3 in that the rotation is carried out only by the gripping fingers together with the drive screw, and the other parts of the gripping structure are in a relati ven calm. The rotation takes place in such a way that the gripping fingers 13 - after having gripped the fruit - push apart the walls E and L by the action of the electromagnet 38, 39 actuated by the switch 24/1 or by the action of a suitably arranged spring and the mandrel 40 at the end the shaft 6 presses into the groove of the bearing cover 41 , after which the whole end part turns several times and separates the fruit from its stem. After completion of the rotation according to the program, the spring 40 pulls the walls E and L together, the centralization magnets 35 - during synchronization of the two walls - pushing the spline shaft 36 into the spline sleeve 37 and as a result of which the operation can be repeated.
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