WO2018167098A1

WO2018167098A1 - Manipulationseinrichtung zum greifen eines körpers

Info

Publication number: WO2018167098A1
Application number: PCT/EP2018/056303
Authority: WO
Inventors: Andreas Backhaus; Veit Müller; Udo Seiffert; Andreas Herzog; José Saenz
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-09-20
Also published as: DE102017204307A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Manipulationseinrichtung (1, 1') zum Greifen eines Körpers (5) mit wenigstens einem ersten Anlagebereich (9, 10, 23, 24, 25, 26), der dazu eingerichtet ist, im Rahmen eines Greifvorganges mit einer ersten Kraft gegen den Körper gedrückt zu werden, und mit einer ersten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 23, 24, 25, 26), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine erste mechanische Eigenschaft, insbesondere einen ersten mechanischen Parameter, des Körpers (5) zu erfassen, sowie mit einer zweiten Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28), die dazu eingerichtet ist, während und/oder bevor und/oder nachdem der Anlagebereich gegen den Körper gedrückt wird, einen weiteren, vom ersten Parameter verschiedenen, insbesondere nicht mechanischen Parameter oder eine weitere Eigenschaft des Körpers zu erfassen. Durch eine Kopplung der Aktorik des Greifvorgangs mit der Sensorik kann sichergestellt werden, dass ein Körper in der Manipulationseinrichtung geeignet fixiert und positioniert ist, ohne ihn zu beschädigen. Zudem kann für eine weitere Messung einer zweiten Sensoreinrichtung das Vorliegen optimierter Umgebungsbedingungen garantiert werden.

Description

Manipulationseinrichtung zum Greifen eines Körpers

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und des Maschinenbaus sowie der Sensorik. Sie befasst sich mit einer Kombination aus Robotik- elementen mit Sensorikelementen, beispielsweise aus der Spektroskopie.

Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei der Automatisierung von Prüfvorgängen eingesetzt werden, beispielsweise in der Landwirtschaft, wo Früchte geprüft und in Abhängigkeit von festgestellten Eigenschaften beispielsweise geerntet werden.

Oft ist es notwendig, bei zunehmender Automatisierung von Arbeitsprozessen Materialien und Stoffe, die mittels automatisierter Greifsysteme manipuliert werden, auf ihre physikalischen und stofflichen Eigenschaften hin zu prüfen. Damit wird ein automatisiertes System in die Lage versetzt, eine Entscheidung über die Behandlung/Verwendung des manipulierten Objekts zu treffen.

Außer in der Landwirtschaft, wie oben beschrieben, sind derartige Anwendungsszenarien auch bei Montagerobotersystemen gegeben, die Greifvorrichtungen für Stückgüter aufweisen, wobei die Greifvorrichtungen entweder nur bestimmte Gegenstände ergreifen sollen oder diese in einer definierten Art positionieren sollen. Dabei kann eine taktile und visuelle

Einschätzung von zu greifenden Gegenständen/Körpern entscheidend sein.

Bisher wurden bei der Manipulation von Gegenständen die sensorische Erfassung von Objekteigenschaften und das Greifen bzw. Fixieren der Objekte durch ein Aktoriksystem voneinander getrennt durchgeführt. Eine solche

Trennung ist jedoch für viele Anwendungsfälle nicht optimal, wenn automatisierte Systeme flexibel agieren sollen und sich adaptiv neuen Anforderungen anpassen müssen. Dies ist insbesondere in der Landwirtschaft bei Erntevorgängen der Fall, wenn die Eigenschaften von Früchten erfasst werden sollen, wobei diese gleichzeitig in Bezug auf die erforderliche Sensorik positioniert werden müssen. Eine zuverlässige Positionierung erfordert in vielen Fällen beim Greifen auch die Erfassung von mechanischen Parametern und/oder stofflichen und/oder geometrischen Eigenschaften. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Manipulationseinrichtung zu schaffen, die gleichzeitig eine Festlegung und Positionierung eines Körpers in zuverlässiger Weise erlaubt und die Erfassung verschiedener Parameter durch wenigstens zwei Sensoreinrichtungen in zuverlässiger und reproduzierbarer Weise ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einer Manipulationseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 14 stellen vorteilhafte Ausgestaltungen vor. Der Patentanspruch 15 bezieht sich auf ein Verfahren zum Greifen eines Körpers mit einer solchen Manipulationseinrichtung.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Manipulationseinrichtung zum Greifen eines Körpers mit wenigstens einem ersten Anlagebereich, der dazu eingerichtet ist, im Rahmen eines Greifvorganges mit einer ersten Kraft gegen den Körper gedrückt zu werden, und mit einer ersten Sensoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine erste mechanische Eigenschaft, insbesondere einen ersten mechanischen Parameter, des Körpers, zu erfassen, sowie mit einer zweiten Sensoreinrichtung, die dazu eingerichtet ist, während und/oder bevor und/oder nachdem der Anlagebereich gegen den Körper gedrückt wird, einen weiteren, vom ersten Parameter verschiedenen, insbesondere nicht mechanischen Parameter oder eine weitere Eigenschaft des Körpers zu erfassen.

Erfindungsgemäße Manipulationseinrichtungen sollen einen Anlagebereich aufweisen, der gegen den Körper gedrückt werden kann, um diesen in Bezug auf die Manipulationseinrichtung zuverlässig zu positionieren. Ein solcher Anlagebereich kann beispielsweise als ebene Fläche, vorzugsweise jedoch als konkave Fläche, beispielsweise als Hohlkalotte oder Trichterform, ausgebildet sein. Dies schließt nicht aus, dass der Anlagebereich auch nachgiebig und verformbar ausgestaltet ist. Zudem können auch mehrere Anlagebereiche vorgesehen sein, die zwischen sich oder gemeinsam den Körper positionieren.

Beispielsweise kann ein Anlagebereich auch durch Bereiche eines Handschuhs gebildet sein, der von einem Menschen getragen werden kann, wobei auf der Oberfläche des Handschuhs Sensoreinrichtungen vorgesehen sein können. Weiterhin ist auch denkbar, dass die Manipulationseinrichtung ein trichter- förmiges Teil aufweist, das beispielsweise beim Ernten von Äpfeln von unten an die Früchte herangeführt wird, so dass diese zentrisch in dem trichterförmigen Anlagebereich positioniert werden. Mittels einer zweiten Sensoreinrichtung kann an der jeweiligen Frucht dann beispielsweise eine Messung durchgeführt werden. Die erste Sensoreinrichtung kann beispielsweise eine Andruckkraft oder die Verteilung einer solchen Kraft messen, um sicherzustellen, dass die Frucht an dem Anlagebereich anliegt. Die Messung der Kraft oder einer ortsabhängigen Kraftverteilung kann auch zur genauen Lokalisierung des Körpers / einer Frucht verwendet werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste Sensoreinrichtung eine Kraftverteilung misst und beispielsweise die Härte oder eine Härteverteilung der Frucht messen kann.

Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die erste Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, aufgrund der Rückwirkung des Körpers auf die Manipulationseinrichtung infolge der in dem ersten Anlagebereich ausgeübten Andruckkraft einen mechanischen Parameter zu ermitteln. In Abhängigkeit von der Härte der Oberfläche des zu greifenden Körpers wird dieser beispielsweise an dem Anlagebereich oder an mehreren Anlagebereichen verformt, was durch eine Kraftmessung, insbesondere eine ortssensitive Kraftmessung, nachweisbar ist. Hierzu können beispielsweise Kraftmesspads mit mehreren Messpunkten vorgesehen sein, die eine Kraftverteilung über eine Fläche erfassen können.

Diese mechanischen Parameter werden üblicherweise durch die erste Sensoreinrichtung erfasst. Auch die zweite Sensoreinrichtung kann mechanische Parameter erfassen, beispielsweise nachdem eine Positionierung des Körpers in Bezug auf die Manipulationseinrichtung durch die erste Sensoreinrichtung sichergestellt ist und die Lokalisierung des Körpers, das heißt der Aufenthaltsort und beispielsweise auch seine Orientierung als Information zur Verfügung steht. Damit wird die Zuverlässigkeit der Messung der zweiten Sensoreinrich- tung erhöht. Die zweite Sensoreinrichtung kann als mechanischen Parameter beispielsweise eine Oberflächenbeschaffenheit, eine Rauigkeit oder eine Textur oder auch geometrische Form des Körpers vermessen.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung zur Erfassung eines optischen Parameters eingerichtet ist. Es kann somit sichergestellt werden, dass der entsprechende optische Parameter unter optimierten Messbedingungen erfasst werden kann, indem die Positionierung des Körpers bezüglich der Manipulationseinrichtung und/oder bezüglich der zweiten Sensoreinrichtung sichergestellt und stabilisiert ist. Hierzu kann die zweite Sensoreinrichtung eine Abbildungseinrichtung wie eine Kamera, eine Stereokamera, eine Infrarot- oder UV-Kamera umfassen. Sie kann zusätzlich auch eine Infrarot- oder UV-Lichtquelle oder eine Lichtquelle im Bereich des sichtbaren Lichts umfassen. Eine weitere Ausgestaltung kann dazu beispielsweise vorsehen, dass die zweite Sensoreinrichtung einen Lichtintensitätssensor und/oder ein Reflekto- meter und/oder ein Pyrometer und/oder ein Spektrometer aufweist. Mit einem Lichtintensitätssensor kann beispielsweise die Helligkeit der Oberfläche des Körpers detektiert werden, wobei selbstverständlich die äußeren Licht- Verhältnisse zu berücksichtigt sind. Eine gute Abschattung des Messbereichs der zweiten Sensoreinrichtung nach außen beispielsweise gegen Sonnenlicht durch Teile der Manipulationseinrichtung ist hierfür vorteilhaft. Auch das Reflexionsvermögen des Körpers, das durch ein Reflektometer ermittelt werden kann, kann Auskunft über die Beschaffenheit oder den Zustand des Körpers geben. Mittels eines Pyrometers kann beispielsweise die Oberflächentemperatur und örtliche Temperaturverteilung gemessen werden.

Die Messung mittels eines Spektrometers lässt außer der reinen Farbinformation auch Rückschlüsse auf Bestandteile im Oberflächenbereich des Körpers zu. Hierzu kann mit dem Spektrometer eine geeignete Beleuchtungsquelle verbunden sein, die den Oberflächenbereich des Körpers, auf den das Spektrometer gerichtet ist, beleuchtet. Eine solche Strahlungsquelle kann im sichtbaren optischen Bereich, im Infrarot- oder im ultravioletten Bereich emittieren und beispielsweise auch mit anwendungsspezifisch selektierten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen den Körper bestrahlen. Umgekehrt kann auch das Spektrometer bestimmte Wellenlängenbereiche bei der Messung selektiv auswerten, um beispielsweise Absorptionsbanden zu detektieren, die durch die Anwesenheit bestimmter chemischer Stoffe im Oberflächenbereich des Körpers gegeben sind. Auf diese Weise kann mittels eines Spektrometers beispielsweise der Reifegrad einer Frucht beim Ernten beurteilt werden.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung einen Sensor zur Erfassung eines elektrischen Parameters aufweist, insbesondere einen Sensor zur Erfassung eines elektrischen Oberflächenwiderstandes, einer Feldstärke oder einer Spannung. Auch die genannten physikalischen Parameter können Aufschi uss über Beschaffenheit und/oder Zustand des Körpers geben. Der Sensor kann dazu beispielsweise als kapazitiver Sensor ausgebildet sein.

Zudem kann auch vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung einen Sensor zur Erfassung der Objekttemperatur, der Objektfeuchtigkeit oder zum Nachweis bestimmter chemischer, biologischer oder biochemischer Substanzen aufweist.

Zur Detektion bestimmter chemischer, biologischer oder biochemischer Substanzen sind außer Massenspektrometern beispielsweise auch Ober- flächenwellenfilter geeignet. Zudem können natürlich auch chemische Se ren in Form von Substanzen vorgesehen sein, die mit nachzuweisenden Substanzen reagieren und sich dadurch verbrauchen, wobei beispielsweise ein Farbumschlag geschieht. Grundsätzlich sind für Massenprozesse jedoch Sensoren vorzuziehen, die für eine längere Zeit ohne Wartung und ohne den Verbrauch von Substanzen funktionieren und durch die Messung die Beschaffenheit der Messprobe, insbesondere anwendungsrelevante Qualitätseigenschaften, nicht verändern.

In einer weiteren Ausgestaltung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung eine Wirkeinrichtung zur Einwirkung auf den Körper aufweist, wobei die Signalantwort des Körpers als Folge der Einwirkung erfasst wird. Die Wirkeinrichtung kann beispielsweise punktuell auf den Körper Druck ausüben, diesem eine Substanz hinzufügen oder unter weitgehender Vermeidung von Zerstörung in den Körper eindringen, bei- spielsweise mittels einer Spitze oder einer Klinge. Dabei kann das Austreten von Substanzen gemessen werden (soweit die Oberflächenhaut des Körpers geöffnet wird), oder es können Verformungen des Körpers beim Ausüben von Druck gemessen werden. Auf diese Weise kann zusätzlich zu den Informationen, die durch die erste Sensoreinrichtung gewonnen werden, weitere Informationen beispielsweise über die Härte der Oberfläche des Körpers gewonnen werden.

In einer besonderen Ausgestaltung der Manipulationseinrichtung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung in einem Oberflächenbereich eines Teils der Manipulationseinrichtung positioniert ist, der beim Greifen eines Körpers dem Körper zugewandt ist, und/oder dass die zweite Sensoreinrichtung beim Greifen eines Körpers auf einen Oberflächenbereich des Körpers gerichtet ist, der wenigstens teilweise durch eines oder mehrere Teile der Manipulationseinrichtung gegenüber der Umgebung, beispielsweise dem Sonnenlicht, verdeckt ist. Beispielsweise kann die erste

Sensoreinrichtung unmittelbar in dem ersten Anlagebereich vorgesehen sein und damit unmittelbar mit dem Körper Kontakt aufnehmen, während die zweite Sensoreinrichtung von der ersten Sensoreinrichtung derart

beabstandet ist, dass die zweite Sensoreinrichtung auch beim Greifen des Körpers, wenn der erste Anlagebereich in Kontakt zu dem Körper tritt, noch eine Distanz zu dem Körper aufweist. Die zweite Sensoreinrichtung kann auf eine Fläche des Körpers innerhalb des ersten Anlagebereichs oder an diesen angrenzend gerichtet sein. Damit lässt sich die Positionierung des Körpers und die Messung durch die zweite Sensoreinrichtung optimal kombinieren.

Es lassen sich optische Messungen an der Oberfläche des Körpers durchführen, während der erste Anlagebereich an dem Körper anliegt. Durch die mechanische Kontaktaufnahme kann somit eine Positionierung des Körpers relativ zur Manipulationseinrichtung sichergestellt werden, so dass einerseits die zweite Sensoreinrichtung stabil und unveränderlich auf einen bestimmten Oberflächenbereich des Körpers gerichtet sein kann. Andererseits kann auch der Abstand zwischen der Oberfläche des Körpers und der zweiten Sensoreinrichtung konstant gehalten werden, so dass eine stabile und zuverlässige sowie reproduzierbare Messung, beispielsweise mittels eines Spektrometers, durchgeführt werden kann. Dabei kann die zweite Sensoreinrichtung beispielsweise an einem Bauteil der Manipulationseinrichtung angeordnet und befestigt sein, das auch den ersten Anlagebereich aufweist. Beispielsweise kann der erste Anlagebereich an einer Greiffläche eines Greifarms ausgebildet sein, während die erste Sensoreinrichtung am Greifarm oder an einer Verlängerung oder Abzweigung des Greifarms angeordnet ist.

Die zweite Sensoreinrichtung ist dabei vorteilhaft auf einer Seite des Bauteils der Manipulationseinrichtung angeordnet, die während des Greifvorgangs dem Körper zugewandt ist. Beispielsweise kann eine Anlagefläche an einem Träger der Manipulationseinrichtung, zum Beispiel einem Zangenarm, befestigt sein, und eine zweite Sensoreinrichtung kann ebenfalls an diesem Zangenarm, beispielsweise an dessen dem Körper zugewandter Innenseite, befestigt sein. Hierdurch ist gleichzeitig sichergestellt, dass Störungen der Messung zumindest teilweise durch eine Abdeckung des Messbereichs durch das Bauteil / den Zangenarm, an dem die zweite Sensoreinrichtung angeordnet ist, verhindert werden. Das entsprechende Bauteil kann dazu derart ausgebildet sein, dass es größer ist, als aus mechanischen Gründen notwendig wäre, und dass es insbesondere parallel zur Oberfläche des Körpers eine besonders große Ausdehnung aufweist.

Es kann im Bereich der zweiten Sensoreinrichtung auch eine Blende, insbesondere eine ausfahrbare, insbesondere teleskopartig ausfahrbare Blende, zur Abschattung des Messbereichs der zweiten Sensoreinrichtung vorgesehen sein. Die Blende kann dann beispielsweise kurz vor der Messung nach dem Greifen des Körpers ausfahren und den Bereich der Oberfläche des Körpers, der vermessen werden soll, gegenüber äußeren Einflüssen abschirmen.

Insbesondere kann damit erreicht werden, dass die zweite Sensoreinrichtung beim Greifen eines Körpers auf einen Oberflächenbereich des Körpers gerichtet ist, von dem aus wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 50 % des Raumwinkels, der nicht durch den Körper eingenommen wird, durch Teile der Manipulationseinrichtung abgedeckt werden.

Es kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zweite Sensoreinrichtung beim Greifen eines Körpers auf einen Oberflächenbereich des Körpers gerichtet ist, dessen Oberflächennormale(n) überwiegend oder ausschließlich auf einen Teil der Manipulationseinrichtung, insbesondere auf die zweite

Sensoreinrichtung, gerichtet ist (sind). Durch eine solche Anordnung wird erreicht, dass die zweite Sensoreinrichtung relativ steil, im Idealfall senkrecht, auf die Oberfläche des Körpers gerichtet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass dem ersten

Anlagebereich während des Greifvorgangs in Bezug auf den zu greifenden Körper ein zweiter Anlagebereich gegenüberliegt, derart, dass ein Körper durch den zweiten Anlagebereich an den ersten Anlagebereich angedrückt wird, wobei insbesondere der erste und der zweite Anlagebereich je einen Schenkel einer Zange bilden und gegeneinander schwenkbar oder verschiebbar sind. An einem Zangenarm kann beispielsweise eine Blende zur Abschirmung des Messbereichs der zweiten Sensoreinrichtung angeordnet sein.

Der erste und der zweite Anlagebereich der Manipulationseinrichtung können an Bauteilen der Einrichtung angeordnet sein, die aufeinander zu geschoben oder geschwenkt werden können. Beispielsweise können diese Bauteile auf einer Schiene zum Einklemmen des Körpers aufeinander zu geschoben werden. Einfacher erscheint die Anordnung nach Art einer Zange, wobei die beiden Anlagebereiche auf unterschiedlichen Schenkeln/Armen der Zange angeordnet sein können. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der erste und insbesondere auch der zweite Anlagebereich jeweils auf ihrer einem zu greifenden Körper zugewandten Seite konkav ausgebildet sind. Die Anlagebereiche können auch auf verschiedenen Oberflächenbereichen eines Handschuhs angeordnet sein; beispielsweise kann einer der Anlagebereiche im Bereich der Handfläche oder eines Fingers oder eines mehrere Finger gemeinsam aufnehmenden Teils des Handschuhs vorgesehen sein, während ein anderer Anlagebereich an dem Teil des Handschuhs angeordnet ist, der den Daumen aufnimmt. Damit können die verschiedenen Anlagebereiche derart gegeneinander bewegt werden, dass sie einen Körper zwischen sich einklemmen. Die Sensoreinrichtungen sind in diesem Fall in die Oberfläche des Handschuhs in die Anlagebereiche integriert. Auch die zweite Sensoreinrichtung kann dann an dem Handschuh befestigt sein, sie kann jedoch für den Fall der Handhabung durch einen Menschen auch unabhängig von der ersten Sensoreinrichtung bewegbar und beispielsweise an einem zweiten Handschuh oder einem Körperteil des beteiligten Menschen befestigbar sein. Die zweite Sensoreinrichtung kann auch an einem Handgriff, beispielsweise in Form eines Pistolengriffs, befestigt sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der erste und insbesondere auch der zweite Anlagebereich auf ihrer einem zu greifenden Körper zugewandten Seite jeweils eine auf Berührung oder Druck sensitive, insbesondere ortsauflösend sensitive Sensorfläche der ersten Sensoreinrichtung aufweisen. Damit kann beim Zugreifen beispielsweise auf eine Frucht einerseits die Greif kraft begrenzt werden, so dass die Frucht nicht verletzt wird, und andererseits insbesondere bei einer ortsauflösenden Druckmessung auch eine gegebenenfalls erfolgende Verformung des Körpers oder Nachgiebigkeit nachgewiesen werden, die beispielsweise Aufschluss über den Reifegrad gibt. Als ortsauflösende Sensoreinrichtung kann dazu beispielsweise ein Sensorpad genutzt werden, an dem eine verteilte Matrix von Drucksensoren vorgesehen ist. Wichtig ist hierbei, dass der Druck ortsauflösend erfasst werden kann, wobei bei derartigen taktilen Sensoren die Ortsauflösung beispielsweise mindestens 0,5 mm beträgt, so dass der Ort einer Krafteinwir- kung auf wenigstens 1 mm genau bestimmt werden kann. In vielen Fällen kann allerdings auch schon eine Ortsauflösung, die genauer als 3 mm oder genauer als 2 mm ist, ausreichen. Eine oder mehrere solcher ortsauflösenden Sensorflächen kann/können auch an einem Handschuh angeordnet werden.

Die Erfindung erlaubt im Zusammenwirken der ersten Sensoreinrichtung mit der zweiten Sensoreinrichtung gleichzeitig das kontrollierte/geregelte Greifen eines Körpers und die Durchführung einer Messung mittels der zweiten Sensoreinrichtung unter guten und reproduzierbaren Umgebungsbedingungen. Somit ist zur Analyse des Körpers ein gesteuertes Zusammenwirken der Sensoreinrichtungen notwendig. Es kann hierzu bei der Manipulationseinrichtung vorgesehen sein, dass eine mit der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung in Verbindung stehende Steuereinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, zunächst Signale von der ersten Sensoreinrichtung zu erhalten und zu verarbeiten und in Abhängigkeit von Signalen der ersten Sensoreinrichtung und/oder von durch die erste Sensoreinrichtung erfassten Parametern eine Messung durch die zweite Sensoreirichtung freizugeben oder zu starten. In besonders einfachen Fällen kann auch eine feste Ablaufsteuerung zwischen der ersten, zweiten und ggf. weiteren Sensoreinrichtungen vorgesehen werden.

Die erste Sensoreinrichtung kann beispielsweise durch die Messung der Rückwirkung des Körpers sicherstellen, dass der Körper fest, aber zerstörungs- und beschädigungsfrei ergriffen ist, so dass mittels der zweiten Sensoreinrichtung, die beispielsweise als Spektrometer ausgebildet sein kann, zuverlässige Informationen über die Oberfläche des Körpers ermittelt werden können. Die Manipulationseinrichtung kann somit beispielsweise im Bereich der Landwirtschaft bei der Ernte von Früchten derart eingesetzt werden, dass jede Frucht einzeln ergriffen und geprüft und in Abhängigkeit von den Prüfergebnissen geerntet oder an der Pflanze belassen wird.

Die Manipulationseinrichtung kann eine Auswerte- und/oder Steuervorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Messdaten der ersten und/oder zweiten Sensoreinrichtung auszuwerten und gegebenenfalls die Kraft, mit der der Körper ergriffen wird, zu steuern oder zu regeln.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf eine Manipulationseinrichtung der oben beschriebenen und erläuterten Art, sondern auch auf ein Verfahren zum Greifen eines Körpers mittels einer Manipulationseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zunächst ein erster Anlagebereich der Manipulationseinrichtung mit einer ersten Kraft gegen den Körper gedrückt wird, währenddessen mittels einer ersten Sensoreinrichtung wenigstens eine erste mechanische Eigenschaft, insbesondere ein erster mechanischer Parameter, beispielsweise auch eine Position, des Körpers erfasst wird, und gleichzeitig oder danach mit einer zweiten Sensoreinrichtung wenigstens ein weiterer, vom ersten Parameter verschiedener, insbesondere nicht mechanischer Parameter oder eine weitere Eigenschaft des Körpers erfasst wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung gezeigt und anschließend erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Manipulationseinrichtung, die über eine Greifmechanik mit beweglichen Armen verfügt, sowie

Fig. 2 eine Manipulationseinrichtung in Form eines Handschuhs mit integrierter Sensorik.

In Figur 1 ist eine Manipulationseinrichtung 1 mit zwei gegeneinander beweglichen, um eine Achse 2 schwenkbaren Armen 3, 4 dargestellt, die zwischen sich einen zu greifenden Körper 5 aufnehmen können. Der Körper 5 kann beispielsweise für den Einsatz in der Landwirtschaft ein Apfel, eine Birne, eine Orange oder eine andere Frucht sein.

Die Arme 3, 4 sind aus einem festen, steifen Material, wie beispielsweise Metall oder Kunststoff, gefertigt. Sie ragen aus einem Gehäuse 6 hervor, wo sie mit einem nicht dargestellten Antrieb verbunden sind. Durch eine Betätigung des Antriebs werden die Arme 3, 4 auseinander oder aufeinander zu bewegt. Es ist eine Steuereinrichtung 7 innerhalb einer Verarbeitungseinrichtung 8 vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung 7 beispielsweise den Antrieb in nicht näher dargestellter Weise ansteuern kann.

Die Arme 3, 4 weisen auf ihrer dem Körper 5 zugewandten Seite eine konkave Struktur auf, indem sie zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Teile 4a, 4b aufweisen. Die Teile des Arms 4 müssen nicht notwendigerweise rechtwinklig zueinander stehen, sondern können auch einen größeren Winkel zwischen sich einschließen. Der Arm 4 ebenso wie der Arm 3 kann auch insgesamt aus einem einzigen gekrümmten Teil oder abgewinkelten Teil bestehen. Es wird aus der Zeichnung deutlich, dass die Arme 3, 4 so geformt sind, dass sie, wenn sie sich aufeinander zu bewegen, den Körper 5 zwischen sich einschließen, diesen festklemmen und damit unbeweglich festlegen.

Auf der Innenseite der Arme 3, 4 ist jeweils ein Sensorpad 9, 10 angeordnet, das eine ortsauflösende Kraftmessung erlaubt. Wenn die Arme 3, 4 an den

Körper 5 gedrückt werden, bildet sich an jedem der Arme 3, 4 ein Anlagebereich aus, der je nach Größe des ausgeübten Drucks etwa der Größe der Sensorpads 9, 10 entspricht. Jeder Anlagebereich kann für sich in mehrere nicht zusammenhängende Teil-Anlagebereiche unterteilt sin. Die Sensorpads 9, 10 sind Teil einer ersten Sensoreinrichtung, die zudem zumindest Zuleitungen 9a, 10a und gegebenenfalls Vorverarbeitungseinrichtungen im Bereich der Pads 9, 10 aufweist. Beispielsweise können diese Vorverarbeitungseinrichtungen Signale verschiedener über die Sensorpads 9, 10 flächenartig verteilter Sensoren derart übernehmen, dass Messwerte der Sensoren über die Leitungen 9a, 10a seriell übermittelt werden können.

Die ersten Sensoreinrichtungen 9, 9a, 10, 10a senden somit Signale über die Kraftverhältnisse oder die Kraftverteilung beim Greifen des Körpers 5 an die Verarbeitungseinrichtung 8 und dort an eine Empfangseinrichtung 11. Diese leitet die Signale weiter an die Steuereinrichtung 7. Werden die Signale der ersten Sensoreinrichtung 9, 9a, 10, 10a derart interpretiert, dass der Körper 5 festgelegt und positioniert ist, so kann unmittelbar durch die Steuereinrichtung 7 die Messung mittels der zweiten Sensoreinrichtung begonnen werden. Es kann jedoch auch zuerst eine Auswertung der durch die erste Sensor- einrichtung ermittelten Daten erfolgen, die auch zum Ergebnis haben kann, dass eine Messung mittels der zweiten Sensoreinrichtung nicht durchgeführt werden muss. Dies kann beispielsweise dann sein, wenn eine zu erntende Frucht sich zu hart anfühlt und schon aufgrund der Abtastung durch die Pads 9, 10 das Resultat deutlich wird, dass die Frucht noch unreif ist. Die Steuerein- richtung 7 kann jedoch auch eine weitere Messung durch eine zweite Sensoreinrichtung starten. Die zweite Sensoreinrichtung weist in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel an jedem der Arme 3, 4 eine Lichtquelle 12, 13 auf, die jeweils einen Punkt auf der Oberfläche des Körpers 5 beleuchtet. Zudem umfasst die zweite Sensor- einrichtung an jedem der Arme 3, 4 ein Spektrometer 14, 15, das auf den

Körper 5 gerichtet ist und jeweils Strahlung von dem durch die Lichtquellen 12, 13 beleuchteten Bereich aufnimmt und analysiert. Die Lichtquellen 12, 13 können beispielsweise unmittelbar an den Armen 3, 4 angeordnet und als Leuchtdioden ausgebildet sein, sie können jedoch auch durch die Enden von Lichtwellenleitern gebildet sein, die von der Verarbeitungseinrichtung 8 ausgehen, wobei die eigentliche Lichtquelle dann in der Verarbeitungseinrichtung positioniert sein kann. Die Leitungen 12a, 13a können somit alternativ Lichtwellenleiter oder elektrische Leitungen darstellen. Die Versorgungseinheit 16 innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 8 stellt somit entweder eine Spannungsquelle oder eine Lichtquelle dar.

Die Spektrometer 14, 15 können unmittelbar über die Leitungen 14a, 15a Informationen über die aufgenommenen Spektren zu der Verarbeitungseinrichtung 8 und dort zu einer Empfangseinrichtung 17 senden. Die Spektren können dort näher ausgewertet werden und Aufschi uss darüber geben, welchen Zustand oder welche Beschaffenheit der Körper 5 aufweist. Das Ergebnis der Analyse kann dann in einer Ausgabeeinheit 18 innerhalb der Steuereinrichtung 7 angezeigt werden, was entweder durch eine optische Anzeige oder durch ein akustisches Signal geschehen kann.

Durch die Verarbeitungseinrichtung 8 können die Messdaten der ersten Sensoreinrichtung 9, 9a, 10, 10a und die Messdaten der zweiten Sensoreinrichtung 12, 13, 14, 15, 12a, 13a, 14a, 15a grundsätzlich unmittelbar in physikalische Parameter umgerechnet oder im Sinne einer Mustererkennung auf ein aufgabenspezifisches Erkennungsproblem hin ausgewertet werden. Im

Zuge einer Klassifikation bzw. Regression können aufgenommene Messmuster auf erwartete Zielstrukturen projiziert werden. Beispielsweise können die Messdaten der mechanischen Sensorpads 9, 10 umgerechnet werden in die Größe einer Anlagefläche, die mit dem Körper 5 in Berührung steht, oder auch in bestimmte Formen der Berührungsfläche, in denen sich der Körper 5 an die

Pads 9, 10 anschmiegt. Bei den erfassten Spektren können beispielsweise die Lage von Maxima und Minima sowie deren Amplitudenverhältnisse als Muster ausgewertet werden.

Insgesamt können durch die optischen Sensoren beispielsweise die Objekt- eigenschaften Farbe und Textur, Reflexionseigenschaften in Hinblick auf die stoffliche Zusammensetzung an der Oberfläche oder die Struktur im Inneren des Objekts sowie die Objektgeometrie und Form ermittelt werden. Mittels der ersten Sensoreinrichtung bzw. der taktilen Sensoren kann beispielsweise die Größe, Form und Steifigkeit des zu greifenden Körpers erfasst werden.

Durch eine Rückmeldung der ersten Sensoreinrichtung während des Greif Vorgangs kann die Steuereinrichtung 7 den Antrieb der Arme 3, 4 derart steuern, dass beispielsweise die Greifkraft oder auch die spezifische Flächenpressung im Bereich der Anlagefläche begrenzt wird. Der Greifvorgang kann somit an die speziellen Gegebenheiten und die Beschaffenheit des Körpers 5 angepasst werden. Gleiches gilt bei einer ungenauen Positionierung des Körpers 5, wenn dieser schräg in der Manipulationseinrichtung liegt. Auch in diesem Fall kann eine Rückmeldung gegeben werden, die die Steuereinrichtung 7 dazu veranlassen kann, entweder den Körper 5 loszulassen bzw. die Arme 3, 4 von diesem zu lösen und ihn neu zu greifen oder mit veränderter Greif kraft festzuhalten. Lage und Orientierung des Körpers 5 können ebenfalls durch die Auswertung taktiler Sensoren der ersten Sensoreinrichtung genau ermittelt werden, so dass nachfolgend erfasste Messwerte der zweiten Sensoreinrichtung entsprechend interpretiert werden können.

Durch die Integration der taktilen Sensorik in die Manipulationseinrichtung können unter simultaner Ausführung des Handhabungsprozesses und der sensorischen Messungen mechanische Objekteigenschaften bei gleichzeitiger Stabilisierung des Greifvorgangs bestimmt werden.

Die Auswertung der erfassten Daten kann beispielsweise mittels eines lernenden Systems erfolgen. Die Sensordaten können in physikalische Messgrößen umgerechnet werden oder zur Ermittlung von Ergebnissen nach einer anwendungsspezifischen Kalibrierung des Systems auf eine bestimmte Frage- Stellung führen. Zu diesem Zweck können in einer Einlernphase dem System

Objekte mit bekannten Objekteigenschaften präsentiert werden. Eine flexible, parametrisierte mathematische Struktur in der Auswerteeinrichtung kann durch numerische Optimierung so angepasst werden, dass die Erkennungsfehler minimiert werden. Nach der Lernphase erkennt das System neue Objekte in Echtzeit. Messergebnisse wie "gut" und "schlecht" bzw. "erntereif" und "nicht erntereif" können als Statusmeldungen ausgegeben werden.

Zur Datenanalyse der taktilen Sensoren, insbesondere wenn diese ortsauflösend sind wie die Pads 9, 10, können beispielsweise neuronale Netze verwendet werden. Diese können besonders gut durch das oben beschriebene Verfahren trainiert werden. Für die Auswertung beider Sensoreinrichtungen können zudem Expertensysteme eingesetzt werden.

In Figur 2 ist als weitere Ausführungsform der Manipulationseinrichtung ein mit entsprechenden Sensoren ausgestatteter Handschuh dargestellt. Dieser weist Fingerlinge 19, 20, 21 sowie eine Hülle 22 für den Daumen auf. In die

Fingerlinge 19, 20, 21 sowie in die Hülle 22 sind Sensorpads 23, 24, 25, 26 eingesetzt, die eine ortsauflösende Krafterfassung erlauben. Diese sind mit einer oder mehreren Leitungen mit einer Auswerteeinheit 11' verbunden, die ihrerseits mit einer Steuereinrichtung 7' verbunden ist. Die Sensorpads 23, 24, 25, 26 stellen eine oder mehrere erste Sensoreinrichtungen dar. Wird der

Handschuh 1' von einer Person, beispielsweise einem Erntehelfer, getragen, so kann er durch die Bewegung der Hand einen Gegenstand greifen, wobei die Pads 23, 24, 25, 26 an den Gegenstand zur Anlage kommen. Die Pads bilden dabei einen Anlagebereich. Es kann beim Zugreifen die Kraftverteilung an dem Körper durch die Pads gemessen werden. Hierdurch kann beispielsweise nicht nur die Greifkraft insgesamt, sondern auch die Weichheit oder Steifigkeit des zu greifenden Körpers ermittelt werden. Ist dieser zu weich oder zu hart, so kann unmittelbar ein Resultat in Form eines Signaltons ausgegeben werden. Signalisieren die mechanischen, durch die Pads erfassten Eigenschaften des Körpers, dass der Körper regelgerecht ergriffen worden ist und über passende

Eigenschaften verfügt, so kann mittels der Steuereinrichtung T eine Messung durch die zweite Sensoreinrichtung 27 gestartet werden. Diese ist an dem Fingerling 20 dargestellt und verfügt über eine Optik, die schematisch durch den Kreis 28 dargestellt ist. Mittels dieser Optik, an der eine Lichtquelle und ein Spektrometer vorgesehen sein können, kann eine spektroskopische

Untersuchung der Oberfläche des zu greifenden Körpers erfolgen. Ent- sprechende Signale können vorverarbeitet und über die gestrichelt dargestellte Leitung 29 zu der Auswerteeinrichtung 17' geschickt werden. Eine weitere Auswertung kann in der Steuereinrichtung 7' erfolgen, die auch ein Resultat der Messungen ausgeben kann, entweder in elektronischer, optischer oder akustischer Weise.

Die Verarbeitungseinrichtung 8', die die genannten Einheiten 7', 11', 17' enthält, kann beispielsweise in Form eines Armbands mit dem Handschuh 1' verbunden oder zusätzlich zu diesem getragen werden.

Der eigentliche Greif Vorgang stellt sich damit so dar, dass zunächst der zu greifende Körper anvisiert und ergriffen wird, wobei gleichzeitig mit dem Greifvorgang bereits eine taktile Messung erfolgt, um die Greifkraft zu begrenzen, eine richtige Positionierung des Körpers in der Manipulations- einrichtung zu gewährleisten und erste Objekteigenschaften bezüglich der

Härte und Steifigkeit zu ermitteln. In Abhängigkeit von den ersten Ergebnissen kann dann die zweite Sensoreinrichtung betrieben werden, um zusätzliche Parameter mechanischer, optischer, elektrischer, chemischer oder biochemischer Art an dem Körper zu erfassen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Manipulationseinrichtung liegt dabei darin, dass einerseits durch die Kombination der Sensorik mit der Aktorik, d. h. mit der Ansteuerung der Mechanik der Manipulationseinrichtung, der Greifvorgang passend zum Messvorgang gesteuert werden kann, so dass für die Messvorgänge geeignete Messumgebungen sichergestellt werden können, und dass andererseits durch die Verschränkung der Aktoren- und Sensorenaktivität Zeit gespart werden kann.

Die Steuerung des Greifvorgangs selbst kann auch in dem Fall erfolgen, dass der Körper durch eine Person gegriffen wird, die den Handschuh 1' trägt. Die Manipulationseinrichtung kann beispielsweise akustisch signalisieren, dass der Körper in der richtigen Weise ergriffen worden ist, und es können passende

Signale gegeben werden, wenn die Positionierung des Körpers in dem Handschuh zufriedenstellend gelungen ist. Wird die zulässige Greif kraft überschritten, so kann zudem ein Warnsignal ausgegeben werden. Das Starten der Aktivität der zweiten Sensoreinrichtung kann automatisch erfolgen, sobald die taktilen Sensoren an dem Handschuh signalisieren, dass der Körper stabil ergriffen worden ist.

Claims

Patentansprüche

Manipulationseinrichtung (1, 1') zum Greifen eines Körpers (5) mit wenigstens einem ersten Anlagebereich (9, 10, 23, 24, 25, 26), der dazu eingerichtet ist, im Rahmen eines Greifvorganges mit einer ersten Kraft gegen den Körper gedrückt zu werden, und mit einer ersten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 23, 24, 25, 26), die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine erste mechanische Eigenschaft, insbesondere einen ersten mechanischen Parameter, des Körpers (5) zu erfassen, sowie mit einer zweiten Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28), die dazu eingerichtet ist, während und/oder bevor und/oder nachdem der Anlagebereich gegen den Körper gedrückt wird, einen weiteren, vom ersten Parameter verschiedenen, insbesondere nicht mechanischen Parameter oder eine weitere Eigenschaft des Körpers zu erfassen.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, aufgrund der Rückwirkung des Körpers (5) auf die Manipulationseinrichtung infolge der in dem ersten Anlagebereich ausgeübten Andruckkraft einen mechanischen Parameter zu ermitteln.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) zur Erfassung eines optischen Parameters eingerichtet ist.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) einen Lichtintensitätssensor und/oder ein Reflektometer und/oder ein Pyrometer und/oder ein Spektrometer (14, 15) aufweist. Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) einen Sensor zur Erfassung eines elektrischen Parameters aufweist, insbesondere einen Sensor zur Erfassung eines elektrischen Oberflächenwiderstandes, einer Feldstärke oder einer Spannung.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) einen Sensor zur Erfassung der Objekttemperatur, der Objektfeuchtigkeit oder zum Nachweis bestimmter chemischer, biologischer oder biochemischer Substanzen aufweist.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) eine Wirkeinrichtung zur Einwirkung auf den Körper (5) aufweist, wobei die Signalantwort des Körpers als Folge der Einwirkung erfasst wird.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) in einem Oberflächenbereich eines Teils der Manipulationseinrichtung positioniert ist, der beim Greifen eines Körpers (5) dem Körper zugewandt ist, und/oder dass die zweite Sensoreinrichtung beim Greifen eines Körpers auf einen Oberflächenbereich des Körpers (5) gerichtet ist, der wenigstens teilweise durch eines oder mehrere Teile der Manipulationseinrichtung verdeckt ist.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) beim Greifen eines Körpers (5) auf einen Oberflächenbereich des Körpers gerichtet ist, von dem aus wenigstens 30 %, insbesondere wenigstens 50 % des Raumwinkels, der nicht durch den Körper eingenommen wird, durch Teile der Manipulationseinrichtung abgedeckt werden. Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) beim Greifen eines Körpers (5) auf einen Oberflächenbereich des Körpers gerichtet ist, dessen Ober- flächennormale(n) überwiegend oder ausschließlich auf einen Teil der Manipulationseinrichtung, insbesondere auf die zweite Sensoreinrichtung, gerichtet ist (sind).

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Anlagebereich (9, 10, 23, 24, 25, 26) während des Greifvorgangs in Bezug auf den zu greifenden Körper (5) ein zweiter Anlagebereich gegenüberliegt, derart, dass ein Körper durch den zweiten Anlagebereich an den ersten Anlagebereich angedrückt wird, wobei insbesondere der erste und der zweite Anlagebereich je einen Schenkel einer Zange bilden und gegeneinander schwenkbar oder verschiebbar sind.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und insbesondere auch der zweite Anlagebereich (9, 10,

23, 24, 25, 26) jeweils auf ihrer einem zu greifenden Körper (5) zugewandten Seite konkav ausgebildet sind.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und insbesondere auch der zweite Anlagebereich (9, 10, 23, 24, 25, 26) auf ihrer einem zu greifenden Körper (5) zugewandten Seite jeweils eine auf Berührung oder Druck sensitive, insbesondere ortsauflösend sensitive Sensorfläche der ersten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 23, 24, 25, 26) aufweisen.

Manipulationseinrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der ersten und der zweiten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 23,

24, 25, 26, 27, 28) in Verbindung stehende Steuereinrichtung (7, 7') vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, zunächst Signale von der ersten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 23, 24, 25, 26) zu erhalten und zu verarbeiten und in Abhängigkeit von Signalen der ersten Sensoreinrichtung und/oder von durch die erste Sensoreinrichtung erfassten Parametern eine Messung durch die zweite Sensoreirichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) freizugeben oder zu starten.

Verfahren zum Greifen eines Körpers (5) mittels einer Manipulationseinrichtung (1, 1') nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zunächst ein erster Anlagebereich (9, 10, 23, 24, 25, 26) der Manipulationseinrichtung mit einer ersten Kraft gegen den Körper (5) gedrückt wird, währenddessen mittels einer ersten Sensoreinrichtung (9, 9a, 10, 10a, 23, 24, 25, 26) wenigstens eine erste mechanische Eigenschaft, insbesondere ein erster mechanischer Parameter, des Körpers erfasst wird, und gleichzeitig oder danach mit einer zweiten Sensoreinrichtung (12, 12a, 13, 13a, 14, 14a, 15, 15a, 27, 28) wenigstens ein weiterer, vom ersten Parameter verschiedener, insbesondere nicht mechanischer Parameter oder eine weitere Eigenschaft des Körpers erfasst wird.