WO2020193340A1 - Robotergreifer sowie verfahren zum betrieb eines robotergreifers - Google Patents

Robotergreifer sowie verfahren zum betrieb eines robotergreifers Download PDF

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robot gripper
sensor
area
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Andreas SPENNINGER
Tim Rokahr
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Franka Emika Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a robot gripper and a method for operating a
  • Robot grippers also called: “gripper” or “gripping system” or “effector” or “end effector” are known in the prior art. Robot grippers are typically arranged at the distal end of robot manipulators and perform tasks such as gripping and / or holding objects / tools.
  • a robot gripper typically includes a drive unit, a drive train (also called a kinematic system) that moves the active elements, a mechanical interface for releasably and firmly connecting the robot gripper, for example to a robot manipulator, an energy interface for supplying the energy required for operating the robot gripper , as well as a control signal interface for
  • Active elements are those elements of the robot gripper which, when gripping and holding an object, have direct contact with the object and can exert a gripping force on the object.
  • a robotic gripper can hold an object. A distinction is made here between, for example, different pairs of effects: pairing of forces, pairing of shapes, pairing of substances.
  • pairing of forces e.g., a force that is applied to the object.
  • pairing of shapes e.g., a gripping force
  • pairing of substances e.g., pairing of substances.
  • Configurations of the active elements themselves for example as gripper jaws (in the case of a parallel jaw gripper) or as multi-link fingers (in the case of an artificial hand)
  • the drive unit generates what is required for the gripping or holding process
  • the drive unit drives the output train and thus generates corresponding movements of the active elements. This makes it possible for the robot gripper to open, close and hold an object.
  • the output train is used to transmit the generated by the drive unit
  • Kinetic energy to the active elements It thus converts a movement of the drive unit into an output movement of the robot gripper, ie into a corresponding movement of the active elements.
  • the object of the invention is to provide a robot gripper which enables operation with improved safety.
  • the drive unit AE converts energy provided to the robot gripper (for example pneumatic energy, hydraulic energy or electrical energy) into mechanical energy, ie into a movement.
  • This movement is advantageously a translational and / or a rotational movement.
  • the drive unit is advantageously an electric motor that converts the provided electrical energy (voltage U, current I) into a mechanical rotation converts.
  • other drive units such as a hydraulic motor or a pneumatic motor, are of course also suitable for driving the output train.
  • the robot gripper advantageously has a plurality of drive units which each drive one or more active elements WE n .
  • the drive unit AE can in particular comprise a transmission for stepping down or stepping up a rotational movement.
  • the output train AS (also called: kinematic system) transmits the mechanical movement generated by the drive unit AE to one or more active elements WE n , so that they move accordingly.
  • the output train AS particularly advantageously comprises a belt, in particular a toothed belt.
  • the working areas AB n of the active elements WE n each indicate an area which is arranged fixed to the body relative to the robot gripper and in which the active elements WE n can be moved and which they can reach.
  • the working areas AB n are thus defined in particular by the area that is spanned between the active elements WE n when the active elements WE n are opened to the maximum. Since the work areas AB n are defined in a fixed manner relative to the robot gripper, the work areas AB n always remain the same regardless of the position and location of the robot gripper.
  • a position q AE of the drive unit AE is / are determined with a position sensor and / or a position q AS of the drive train is determined with a position sensor and / or a drive unit speed q AE of the drive unit AE is determined with a speed sensor / or with a speed sensor one
  • the output train speed q AS of the output train AS is determined and / or a torque t AE of the drive unit AE is determined with a torque sensor and / or a torque T AS in the output train AS is determined with a torque sensor and / or a motor current I M of an electric motor of the drive unit AE is determined with a current sensor determined.
  • No sensors are advantageously arranged on the active elements WE n . This eliminates the need for a corresponding cable connection to sensors on the active elements WE n .
  • the active elements WE n are advantageously also exchangeable. So can be beneficial
  • Different types of active elements WE n are connected to the output train AS, for example, to enable different active pairs, such as force pairing, shape pairing, material pairing when gripping or holding.
  • the provision of the areas B n within the work areas AB n can be done, for example, by appropriate inputs on the control unit, by reading out a corresponding data memory of the control unit, by data transmission to the control unit via a data interface of the robot gripper, by a manual or automated "teach-in “Process on the robot gripper can be carried out after the following storage in a data memory of the control unit.
  • control unit is designed and set up in such a way that collision monitoring for the active elements WE n is only carried out if the respective active elements WE n are outside the assigned areas B n and the collision monitoring for the active elements WE n is deactivated when the respective active elements WE n are located Active elements WE n are at least partially located within the respectively assigned areas B n .
  • the areas B n are advantageously defined as a function of an external geometry AG of an object to be gripped.
  • the outer geometry AG can be defined by the diameter of the object, for example in the case of a spherical object.
  • the size of the difference area DB P depending on the task, applicable safety standards (e.g. trapping protection) and / or the
  • Sensitivity / breaking strength of the object to be gripped selected.
  • the collision monitoring / collision detection is consequently only carried out outside the areas B n , ie outside a zone (difference area DB P ) around an object which is optimally positioned for grasping.
  • collision monitoring / collision detection is deactivated within this zone.
  • the working areas AB n are each advantageously a three-dimensional or a two-dimensional or a one-dimensional area.
  • the areas B n are each advantageously a three-dimensional or a two-dimensional or a one-dimensional area.
  • the area B of this development is correspondingly specified by a maximum distance limit value A B , depending on the task, and thus contains all distances A from A M IN to distance A B.
  • the active elements (gripper jaws) of the parallel jaw gripper particularly preferably have no sensors.
  • the process-based activation or deactivation of the collision monitoring depending on a current position of the active elements WE n and depending on the defined areas B n is basically independent of whether an object is arranged relative to the robot gripper in such a way that it is also gripped by the robot gripper can be. That is, even if no object is arranged between the active elements WE n , collision monitoring for the active elements WE n is only carried out if the respective active elements WE n are outside the assigned area B n and the collision monitoring for the active elements WE n is deactivated when the respective active elements WE n are at least partially within the assigned area B n .
  • the robot gripper has a sensor with which the presence or absence of an object in a gripping area of the robot gripper can be detected, ie that the sensor detects that an object is arranged in such a way that it is Robot gripper can currently also be gripped. If this sensor detects an object in the gripping area, the collision monitoring for those active elements WE n is then deactivated, provided that they are at least partially within the predefined areas B n . If this sensor does not detect an object in the gripping area, the collision monitoring is advantageously not deactivated within the areas B n . In this case, the collision monitoring is carried out in the entire work area of the
  • Robot gripper executed.
  • the sensor for determining an object in the gripping area of the robot gripper is advantageously, for example, a camera sensor, an ultrasonic sensor, a laser sensor
  • Infrared sensor a capacitive sensor, an inductive sensor, a microwave sensor, or a combination thereof.
  • the dynamic model is a mathematical model that allows the components of the robot gripper and their dynamic interactions to be simulated.
  • the dynamic model is based in particular on the control unit for controlling and regulating the drive unit.
  • the collision monitoring for the active elements WE n is advantageously carried out using a disturbance variable observer, in particular by a power observer or a pulse observer or a speed observer or a
  • variables: q AE , q AE or q AS , q AS can also be determined on the basis of corresponding time derivatives from the variables: q AE or q AS .
  • the collision monitoring is advantageously carried out on the basis of a comparison of a setpoint and an actual position for q AE , q AS .
  • the operation is selected from the following options from a non-exhaustive list:
  • the teach-in process advantageously includes the following steps:
  • B n is preferably stored on a storage unit of the robot gripper.
  • a suitable selection of the areas B n enables, in particular, clamping quantity travel when the gripper is operated in collaboration with a person prevented or at least significantly reduced during the automated gripping process of the robot gripper.
  • Collision monitoring is deactivated when the gripper jaws move further towards one another.
  • the 2.5 mm on each side of the ball are advantageously dimensioned in such a way that no human finger can fit between the gripper jaw and the ball.
  • the proposed method thus improves, in particular, the safety in the case of a collaboration between the robot gripper and an operator.
  • the robot gripper can, if it is connected to a manipulator of a robot, receive control commands from a central control unit of the robot.
  • Control commands are transmitted to the control unit of the robot gripper.
  • the control unit of the robot gripper implements these control commands and controls
  • Collision monitoring and the activation or deactivation of the collision monitoring according to the invention is carried out locally on the control unit of the robot gripper.
  • the control unit of the robot gripper advantageously transmits recognized collisions for the active elements WE n to a central control unit of the robot.
  • a robot gripper comprising: at least one drive unit AE for driving a drive train AS with a number N of active elements WE n , the active elements WE n each being fixed to the body relative to the
  • Robotic grippers have arranged work areas AB n in which the active elements WE n are each movable and which they can reach; a control unit for
  • Control and regulation of the at least one drive unit AE; and a sensor system connected to the control unit for determining forces / moments F ext, WEn (t) externally applied to the individual active elements WE n , with n 1, 2, ..., N and N>1; wherein the control unit is designed and set up such that for the
  • Active elements WE n collision monitoring can be carried out; the collision monitoring for the active elements WE n is only carried out if the respective
  • Active elements WE n are located outside of a predetermined assigned area B n lying within the working area AB n ; the collision monitoring for the active elements WE n is deactivated when the respective active elements WE n are at least partially within the assigned area B n ; and if a collision event is detected for an active element WE n , the drive unit is activated according to a predetermined operation.
  • the drive unit AE is advantageously an electric motor or a hydraulic actuator or a pneumatic actuator.
  • the drive unit AE can also include a gear unit.
  • the working areas AB n are each advantageously a three-dimensional or a two-dimensional or a one-dimensional area.
  • the areas B n are each advantageously a three-dimensional or a two-dimensional or a one-dimensional area.
  • the robot gripper is as a
  • the working area AB is advantageously defined as the distance range from a minimum distance A M
  • N to a maximum distance A M AX that the active elements WE n i, 2 can assume from one another.
  • the area B of this development is correspondingly specified by a maximum distance limit value A B , depending on the task at hand, and thus contains all distances A from A M
  • the active elements (gripper jaws) of the parallel jaw gripper particularly preferably have no sensors.
  • the sensor system has a or several of the following sensors: a position sensor for determining a position q AE of the drive unit AE and / or a position sensor for determining a
  • Control unit designed and set up in such a way that the collision monitoring takes place on the basis of a predetermined dynamic model of the robot gripper.
  • Collision monitoring is carried out using a disturbance variable observer
  • a performance observer or an impulse observer or a speed observer or an acceleration observer in particular by a performance observer or an impulse observer or a speed observer or an acceleration observer.
  • One or more of the measured variables are advantageously used for collision monitoring: q AE , q AS , q AE , q AE, q AS , q AS, t AE , t AS , l M.
  • Quantities: q AE , q AE or q AS , q AS can also be determined on the basis of corresponding time derivatives from the quantities: q AE or q AS .
  • the drive unit AE is a motor which is coupled to the output strand AS via a transmission, and that a torque sensor for determining a torque T AS im
  • Output train AS is connected between gearbox and output train.
  • the motor is advantageously an electric motor.
  • the control unit is advantageously designed and set up in such a way that the operation is selected from the following options from a non-exhaustive list: Stopping the drive unit AE,
  • the control unit advantageously comprises a processor, a memory unit and an interface for specifying setpoint control variables, for example from a central computer for controlling a
  • the invention finally relates to a robot or humanoid with a
  • Robotic gripper as described above.
  • the robot gripper comprising: at least one drive unit AE for driving a drive train AS with a number N of active elements WE n , the active elements WE n each being arranged one body-fixed relative to the robot gripper
  • the active elements WE n each being arranged one body-fixed relative to the robot gripper
  • Have work area in which the active elements WE n are movable and they can achieve a control unit for controlling the drive unit AE, and a sensor system connected to the control unit for determining forces / torques F ext, WEn (t) externally applied to the individual active elements WE n , with n 1, 2, ... , N and N> 1.
  • the control unit is configured and adapted for operative elements WE n a collision monitoring autonomously and locally executable (that is, without requiring an external control unit or an external processor), and that when a working element WE n detected collision event the drive unit according to a predetermined Operation is controlled autonomously and locally.
  • the method comprises the following steps, which are carried out when the robot gripper is in operation, in particular when the robot gripper grips an object.
  • a first step 201 is carried out for the operating elements WE n each providing a defined area B n within the associated working area AB n.
  • the control unit takes place in step 202
  • the robot gripper enables collision monitoring to be carried out autonomously for the
  • Active elements WE n when the respective active elements WE n are at least partially within area B.
  • the control unit of the robot gripper advantageously generates a collision signal if a collision is detected for one of the active elements WE n .
  • Control unit of the robot gripper a deactivation signal if the
  • the robot gripper advantageously provides the collision signal and / or the deactivation signal to a
  • Interface ready so that they can be forwarded to external control units.
  • the sensor system 105 comprises a position sensor for determining a motor position q AE of the electric motor, a current sensor for determining a Motor current I AE of the electric motor and a torque sensor connected between the transmission 110 and the output train 102 for determining the torque T AS .
  • the measured variables q AE , I AE and T AS are made available to the control unit 104.
  • the parallel jaw gripper 100 furthermore has an interface 11 for electrical energy and a control signal from an external control unit.
  • the interface 1 1 1 is connected to the control unit 104 by at least one signal line 1 12 and at least one electrical line 1 13.
  • the interface 1 1 1, for example
  • Control signals from a central control unit of the robot and electrical energy for the parallel jaw gripper 100 are provided.
  • This collision monitoring is always carried out independently of control commands, for example an external robot malfunction.
  • the area B i.e. the area in which the collision monitoring
  • the active elements particularly preferably have (Gripper jaws) of the parallel jaw gripper does not pick up any sensors.
  • a ball in cross section
  • the gripper jaws 103a, 103b each in the position of their maximum deflection, i.e. their maximum distance.
  • the maximum distance between the gripper jaws shown defines the working area AB.
  • Area B lying within working area AB specifies the area in which collision monitoring is deactivated. The area B is present by the
  • Diameter D AG of the ball and defined by a safety zone DB / 2 on both sides of the ball.
  • Collision signal provided at the interface 1 1 1 for forwarding to an external control unit.
  • the collision monitoring in the control unit 104 takes place on the basis of a predetermined dynamic model of the parallel jaw gripper 100

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Robotergreifer (100) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines ebensolchen Robotergreifers (100), wobei der Robotergreifer (100) umfasst: zumindest eine Antriebseinheit AE (101) zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS (102) mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn (103), wobei jedes Wirkelement WEn (103) einen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Arbeitsbereich ABn aufweist, in dem das jeweilige Wirkelement WEn bewegbar ist und den es erreichen kann; eine Steuereinheit (104) zur Steuerung der zumindest einen Antriebseinheit AE (101); und ein mit der Steuereinheit (104) verbundenes Sensorsystem (105) zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn (103) aufgebrachten Kräfte/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1, 2, …, N und N ≥ 1; wobei die Steuereinheit (104) derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass für die Wirkelemente WEn (103) eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist, und dass bei einem für ein Wirkelement WEn (103) erkannten Kollisionsereignis die Antriebseinheit AE (101) gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (201) für die Wirkelemente WEn jeweils eines definierten Bereichs Bn innerhalb des Arbeitsbereichs ABn, und Durchführen (202) der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn (103) nur dann, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn (103) außerhalb des zugeordneten Bereichs B befinden und Deaktivieren der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden.

Description

Robotergreifer sowie Verfahren zum Betrieb eines Robotergreifers
Die Erfindung betrifft einen Robotergreifer sowie ein Verfahren zum Betrieb eines
Robotergreifers.
Robotergreifer (auch genannt:„Greifer“ oder„Greifsystem“ oder„Effektor“ oder „Endeffektor“) sind im Stand der Technik bekannt. Robotergreifer sind typischerweise am distalen Ende von Robotermanipulatoren angeordnet und übernehmen Aufgaben, wie das Greifen und/oder Halten von Objekten/Werkzeugen.
Ein Robotergreifer umfasst typischerweise eine Antriebseinheit, einen Abtriebsstrang (auch genannt: kinematisches System), der Wirkelemente bewegt, eine mechanische Schnittstelle zum lösbar-festen Verbinden der Robotergreifer beispielsweise mit einem Robotermanipulator, eine Energie-Schnittstelle zur Zuführung einer für den Betrieb des Robotergreifers erforderlichen Energie, sowie eine Steuersignal-Schnittstelle zur
Zuführung von Steuersignalen (bspw. von einer zentralen Robotersteuereinheit). Wirkelemente sind diejenigen Elemente des Robotergreifers, die beim Greifen und Halten eines Objekts einen direkten Kontakt zu dem Objekt haben und dabei eine Greifkraft auf das Objekt ausüben können. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Robotergreifer ein Objekt halten kann. Man unterscheidet hierbei bspw. unterschiedliche Wirkpaarungen: Kraftpaarung, Formpaarung, Stoffpaarung. Weiterhin gibt es eine Vielzahl von
Ausgestaltungen der Wirkelemente selbst, beispielsweise als Greiferbacke (bei einem Parallelbackengreifer) oder als mehrgliedrigen Finger (bei einer künstlichen Hand).
Die Antriebseinheit erzeugt die für den Greif- oder Haltevorgang benötigte
Bewegungsenergie. Die Antriebseinheit treibt den Abtriebsstrang an und erzeugt somit entsprechende Bewegungen der Wirkelemente. Dadurch wird das Öffnen, Schließen und Halten eines Objekts durch den Robotergreifer möglich.
Der Abtriebsstrang dient zum Übertragen der von der Antriebseinheit erzeugten
Bewegungsenergie zu den Wirkelementen. Er überführt somit eine Bewegung der Antriebseinheit in eine Abtriebsbewegung des Robotergreifers, d.h. in eine entsprechende Bewegung der Wirkelemente.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Robotergreifer bereitzustellen, der einen Betrieb mit verbesserter Sicherheit ermöglicht.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Robotergreifers, wobei der Robotergreifer umfasst: zumindest eine Antriebseinheit AE zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn, wobei die Wirkelemente WEn jeweils einen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Arbeitsbereich ABn aufweisen, in dem die jeweiligen Wirkelemente WEn bewegbar sind und den sie erreichen können; eine Steuereinheit zur Steuerung der zumindest einen Antriebseinheit AE, und ein mit der Steuereinheit verbundenes Sensorsystem zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn aufgebrachten Kräfte/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1 ; wobei die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass für die Wirkelemente WEn eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist, und dass bei einem für ein Wirkelement WEn erkannten Kollisionsereignis die Antriebseinheit AE gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird, mit folgenden Schritten: für die Wirkelemente WEn Bereitstellen jeweils eines Bereichs Bn innerhalb des jeweiligen Arbeitsbereichs ABn, und Durchführen der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn nur dann, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn außerhalb des Bereichs Bn befinden und
Deaktivieren der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden.
Die Antriebseinheit AE wandelt vorliegend eine dem Robotergreifer bereitgestellte Energie (bspw. pneumatische Energie, hydraulische Energie oder elektrische Energie) in mechanische Energie, d.h. in eine Bewegung um. Diese Bewegung ist vorteilhaft eine Translations- und/oder eine Rotationsbewegung. Vorteilhaft ist die Antriebseinheit ein Elektromotor, der bereitgestellte elektrische Energie (Spannung U, Strom I) in eine mechanische Rotation wandelt. Je nach Anwendung eignen sich natürlich auch andere Antriebseinheiten, wie bspw. ein Hydraulikmotor oder ein Pneumatikmotor zum Antrieb des Abtriebsstrangs. Vorteilhaft treibt die Antriebseinheit mehrere Wirkelemente WEn, insbesondere zwei Wirkelemente WEn=1 2, an. Vorteilhaft weist der Robotergreifer mehrere Antriebseinheiten auf, die jeweils ein oder mehrere Wirkelemente WEn antreiben. Die Antriebseinheit AE kann insbesondere ein Getriebe zur Unter- oder Übersetzung einer Rotationsbewegung umfassen.
Der Abtriebsstrang AS (auch genannt: kinematisches System) überträgt die von der Antriebseinheit AE erzeugte mechanische Bewegung auf ein oder mehrere Wirkelemente WEn, sodass sich diese entsprechend bewegen. Zur mechanischen Realisierung des Abtriebsstrangs AS in einem Robotergreifer sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Realisierungen bekannt. Besonders vorteilhaft umfasst der Abtriebsstrang AS einen Riemen, insbesondere einen Zahnriemen.
Die Arbeitsbereiche ABn der Wirkelemente WEn geben jeweils einen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Bereich an, in dem die Wirkelemente WEn bewegbar sind und den sie erreichen können. Die Arbeitsbereiche ABn definieren sich damit insbesondere durch den Bereich, der bei maximal geöffneten Wirkelementen WEn zwischen den Wirkelementen WEn aufgespannt wird. Da die Arbeitsbereiche ABn körperfest relativ zum Robotergreifer definiert sind, bleiben die Arbeitsbereiche ABn unabhängig von der Position und Lage des Robotergreifers stets gleich.
Erfindungsgemäß weist der Robotergreifer ein Sensorsystem zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn aufgebrachten Kräften/Momenten Fext,wEn(t) auf, mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1. Kräfte/Momente, die auf andere Teile des Robotergreifers ausgeübt werden, beispielsweise auf ein Gehäuse des Robotergreifers, werden mithin von diesem Sensorsystem nicht erfasst.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens wird/werden mit einem Positionssensor eine Position qAE der Antriebseinheit AE ermittelt und/oder mit einem Positionssensor eine Position qAS des Abtriebsstrangs ermittelt und/oder mit einem Geschwindigkeitssensor eine Antriebseinheitsgeschwindigkeit qAE der Antriebseinheit AE ermittelt und/oder mit einem Geschwindigkeitssensor eine Abtriebsstranggeschwindigkeit qAS des Abtriebsstrangs AS ermittelt und/oder mit einem Drehmomentsensor ein Drehmoment tAE der Antriebseinheit AE ermittelt und/oder mit einem Drehmomentsensor ein Drehmoment TAS im Abtriebsstrang AS ermittelt und/oder mit einem Stromsensor einen Motorstrom I M eines Elektromotors der Antriebseinheit AE ermittelt.
Vorteilhaft sind auf den Wirkelementen WEn keine Sensoren angeordnet. Dadurch entfällt eine entsprechende Kabelverbindung zu Sensoren auf den Wirkelementen WEn. Die Wirkelemente WEn sind vorteilhaft auch austauschbar. So können vorteilhaft
verschiedenarte Wirkelemente WEn mit dem Abtriebsstrang AS verbunden werden, um beispielsweise unterschiedliche Wirkpaarungen, wie Kraftpaarung, Formpaarung, Stoffpaarung beim Greifen oder Halten zu ermöglichen.
Das Bereitstellen der Bereiche Bn innerhalb der Arbeitsbereiche ABn kann beispielsweise durch entsprechende Eingaben an der Steuereinheit, durch das Auslesen eines entsprechenden Datenspeichers der Steuereinheit, durch eine Datenübermittlung an die Steuereinheit via einer Datenschnittstelle des Robotergreifers, durch einen manuellen oder automatisierten„Teach-ln“-Vorgang am Robotergreifer nach folgendem Abspeichern in einem Datenspeicher der Steuereinheit erfolgen.
Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn nur dann ausgeführt wird, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn außerhalb der zugeordneten Bereiche Bn befinden und Deaktivieren der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb der jeweils zugeordneten Bereiche Bn befinden.
Die Bereiche Bn werden vorteilhaft abhängig von einer Außengeometrie AG eines zu greifenden Objekts definiert. Dabei kann die Außengeometrie AG beispielsweise bei einem kugelförmigen Objekt durch den Durchmesser des Objekts definiert sein. Dabei werden die Bereiche Bn vorteilhaft derart gewählt/definiert, dass die Bereiche Bn die Außengeometrie AG (den Rand/die Oberfläche des Objekts) des zu greifenden Objekts sowie einen sich daran nach außen anschließenden Differenzbereich DBP umfassen: Bn = AG + DBP. Dabei werden die Größe der Differenzbereichs DBP je nach Aufgabenstellung, anzuwendenden Sicherheitsnormen (zum Beispiel Klemmschutz) und/oder der
Empfindlichkeit/Bruchfestigkeit des zu greifenden Objekts gewählt.
Während der Ausführung des Verfahrens, bei dem es gilt, ein Objekt zu greifen, wird demzufolge die Kollisionsüberwachung/Kollisionsdetektion nur außerhalb der Bereiche Bn, d.h. außerhalb einer Zone (Differenzbereich DBP) um ein für ein Greifen optimal positioniertes Objekt, ausgeführt. Innerhalb dieser Zone ist in diesem Beispiel die Kollisionsüberwachung/Kollisionsdetektion deaktiviert.
Vorteilhaft sind die Arbeitsbereiche ABn jeweils ein dreidimensionaler oder ein zweidimensionaler oder ein eindimensionaler Bereich. Vorteilhaft sind die Bereiche Bn jeweils ein dreidimensionaler oder ein zweidimensionaler oder ein eindimensionaler Bereich.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens ist der Robotergreifer als ein Parallelbackengreifer mit zwei Wirkelementen WEn=1 2 ausgeführt, wobei ein gemeinsamer Arbeitsbereich AB und ein gemeinsamer Bereich B durch Abstandsbereiche der Wirkelemente WEn=1 2 definiert werden. Der Arbeitsbereich AB definiert sich vorteilhaft als der Abstandsbereich von einem minimalen Abstand AMIN bis zu einem maximalen Abstand AMAc, den die Wirkelemente WEn=1 2 voneinander einnehmen können. Der Bereich B dieser Weiterbildung wird je nach Aufgabenstellung entsprechend durch einen maximalen Abstandsgrenzwert AB vorgegeben und enthält somit alle Abstände A von AMIN bis zum Abstand AB.
Somit ist der Bereich B durch die Abstände A der Wirkelemente WEn=i ,2 voneinander definiert, für die gilt: AM|N s A < AB oder AM|N i A < AB und AB < AMAc· In dieser
Weiterbildung wird eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=i ,2 nur dann ausgeführt, sofern die Wirkelemente WEn=1 2 einen Abstand A haben, für den gilt: A > AB oder A > AB. Besonders bevorzugt weisen die Wirkelemente (Greiferbacken) des Parallelbackensgreifers keine Sensoren auf.
Die verfahrensgemäße Aktivierung bzw. Deaktivierung der Kollisionsüberwachung abhängig von einer aktuellen Stellung der Wirkelemente WEn und abhängig von den definierten Bereichen Bn erfolgt grundsätzlich unabhängig davon, ob ein Objekt derart relativ zum Robotergreifer angeordnet ist, dass es vom Robotergreifer auch gegriffen werden kann. D.h., auch dann, wenn zwischen den Wirkelementen WEn kein Objekt angeordnet ist, wird eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn nur dann ausgeführt, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn außerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden und die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn wird deaktiviert, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Robotergreifers zeichnet sich dadurch aus, dass der Robotergreifer einen Sensor aufweist, mit dem eine Anwesenheit oder Abwesenheit eines Objekts in einem Greifbereich des Robotergreifers erfasst werden kann, d.h. dass der Sensor erfasst, dass ein Objekt derart angeordnet ist, dass es vom Robotergreifer aktuell auch gegriffen werden kann. Wird von diesem Sensor ein Objekt im Greifbereich ermittelt, so wird die Kollisionsüberwachung für diejenigen Wirkelemente WEn dann deaktiviert, sofern sie sich zumindest teilweise innerhalb der vorgegebenen Bereiche Bn befinden. Wird von diesem Sensor kein Objekt im Greifbereich ermittelt, so erfolgt vorteilhaft keine Deaktivierung der Kollisionsüberwachung innerhalb der Bereiche Bn. In diesem Fall wird die Kollisionsüberwachung im gesamten Arbeitsbereich des
Robotergreifers ausgeführt.
Der Sensor zur Ermittlung eines Objekts in dem Greifbereich des Robotergreifers ist vorteilhaft bspw. ein Kamerasensor, ein Ultraschallsensor, ein Lasersensor, ein
Infrarotsensor, ein kapazitiver Sensor, ein induktiver Sensor, ein Mikrowellensensor oder eine Kombination davon.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kollisionsüberwachung auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Robotergreifers erfolgt. Das Dynamikmodell ist ein mathematisches Modell, das es erlaubt, die Komponenten des Robotergreifers und deren dynamische Wechselwirkungen zu simulieren. Das Dynamikmodell liegt insbesondere der Steuereinheit für die Steuerung und Regelung der Antriebseinheit zu Grunde.
Vorteilhaft erfolgt die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn unter Nutzung eines Störgrößenbeobachters, insbesondere durch einen Leistungsbeobachter oder einen Impulsbeobachter oder einen Geschwindigkeitsbeobachter oder einen
Beschleunigungsbeobachter. Vorteilhaft werden zur Kollisionsüberwachung eine oder mehrere der gemessenen Größen: qAE , qAS , qAE , qAE qAS ,
Figure imgf000009_0001
Tas , IM verwendet.
Dabei können die Größen: qAE , qAE bzw. qAS , qAS auch auf Basis entsprechender Zeitableitungen aus den Größen: qAE bzw. qAS ermittelt werden.
Vorteilhaft erfolgt die Kollisionsüberwachung auf Basis eines Vergleiches einer Soll- und einer Ist-Position für qAE , qAS .
Gemäß einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Operation aus folgenden Möglichkeiten einer nicht abschließenden Liste gewählt:
Stoppen der Antriebseinheit AE,
Ansteuern der Antriebseinheit AE zur Gravitationskompensation,
Ansteuern der Antriebseinheit AE zur Reibungskompensation,
Ansteuern der Antriebseinheit AE derart, dass ein kontrolliertes kontinuierliches voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt,
Ansteuern der Antriebseinheit AE derart, dass ein reflexartiges voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt.
In vorteilhafter Weise erfolgt das Definieren der Bereiche Bn innerhalb der
Arbeitsbereiche ABn durch einen manuellen oder automatisierten Teach-In-Vorgang am Robotergreifer. Vorteilhaft umfasst der Teach-In-Vorgang folgende Schritte:
Greifen eines Objekts derart, dass jedes der Wirkelemente WEn das Objekt mechanisch kontaktiert, wobei der dabei von den Wirkelementen WEn
eingeschlossene Bereich die Bereiche AGn definiert,
Ermitteln der Bereiche Bn indem die Bereiche AGn nach außen um vorgegebene Delta-Bereiche DBP erweitert werden, so dass gilt: Bn = AGn + DBP, und
Speichern von Bn.
Das Speichern von Bn erfolgt bevorzugt auf eine Speichereinheit des Robotergreifers.
Durch eine geeignete Wahl der Bereiche Bn werden insbesondere Klemmengefahren bei einem Betrieb des Greifers in Kollaboration mit einem Menschen, insbesondere beim automatisiert ausgeführten Greifvorgang des Robotergreifers, verhindert oder zumindest erheblich reduziert.
Soll beispielsweise eine Kugel mit einem Durchmesser von 5 cm (AG =5 cm) mit einem Parallelbackengreifer gegriffen werden, und ist vorteilhaft für die zwei Greiferbacken ein gemeinsamer Bereich B = AG + DB durch einen Abstand der Greiferbacken von 5,5 cm definiert. Dadurch verbleiben bei mittiger Anordnung der Kugel zwischen den
Greiferbacken zu jeder Seite der Kugel 2,5 mm (= DB/2) bevor eine
Kollisionsüberwachung bei einem weiteren Aufeinanderzubewegen der Greiferbacken deaktiviert wird. Die 2,5 mm auf jeder Seite der Kugel sind vorteilhaft derart bemessen, dass kein Finger eines Menschen zwischen Greiferbacke und Kugel passt.
Das vorgeschlagene Verfahren verbessert damit insbesondere die Sicherheit bei einer Kollaboration zwischen Robotergreifer und einem Bediener.
Der Robotergreifer kann, sofern er mit einem Manipulator eines Roboters verbunden ist, Steuerbefehle von einer zentralen Steuereinheit des Roboters erhalten. Diese
Steuerbefehle werden der Steuereinheit des Robotergreifers übermittelt. Die
Steuereinheit des Robotergreifers setzte diese Steuerbefehle um und steuert
grundsätzlich die Antriebseinheit entsprechend an, wobei die erfindungsgemäße
Kollisionsüberwachung sowie die erfindungsgemäße Aktivierung bzw. Deaktivierung der Kollisionsüberwachung lokal auf der Steuereinheit des Robotergreifers ausgeführt wird. Vorteilhaft werden von der Steuereinheit des Robotergreifers als erkannte Kollisionen für die Wirkelemente WEn an eine zentrale Steuereinheit des Roboters übermittelt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotergreifer umfassend: zumindest eine Antriebseinheit AE zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn, wobei die Wirkelemente WEn jeweils körperfest relativ zum
Robotergreifer angeordnete Arbeitsbereiche ABn aufweisen, in denen die Wirkelemente WEn jeweils bewegbar sind und die sie erreichen können; eine Steuereinheit zur
Steuerung und Regelung der zumindest einen Antriebseinheit AE; und ein mit der Steuereinheit verbundenes Sensorsystem zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn aufgebrachten Kräften/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1 ; wobei die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass für die
Wirkelemente WEn eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist; die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn nur dann durchgeführt wird, wenn sich die jeweiligen
Wirkelemente WEn außerhalb eines innerhalb des Arbeitsbereichs ABn liegenden vorgegebenen zugeordneten Bereichs Bn befinden; die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn deaktiviert wird, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden; und sofern für ein Wirkelement WEn ein Kollisionsereignis erkannt wird, die Antriebseinheit gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird.
Die Antriebseinheit AE ist vorteilhaft ein Elektromotor oder ein Hydraulikaktuator oder ein Pneumatikaktuator. Die Antriebseinheit AE kann zusätzlich eine Getriebeeinheit umfassen.
Vorteilhaft sind die Arbeitsbereiche ABn jeweils ein dreidimensionaler oder ein zweidimensionaler oder ein eindimensionaler Bereich. Vorteilhaft sind die Bereiche Bn jeweils ein dreidimensionaler oder ein zweidimensionaler oder ein eindimensionaler Bereich.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der Robotergreifer als ein
Parallelbackengreifer mit zwei Wirkelementen WEn=i ,2 ausgeführt, wobei ein
gemeinsamer Arbeitsbereich AB und ein gemeinsamer Bereich B durch
Abstandsbereiche der Wirkelemente WEn=i ,2 definiert werden. Der Arbeitsbereich AB definiert sich vorteilhaft als der Abstandsbereich von einem minimalen Abstand AM|N bis zu einem maximalen Abstand AMAX, den die Wirkelemente WEn=i ,2 voneinander einnehmen können. Der Bereich B dieser Weiterbildung wird je nach Aufgabenstellung entsprechend durch einen maximalen Abstandsgrenzwert AB vorgegeben und enthält somit alle Abstände A von AM|N bis zum Abstand AB.
Somit ist der Bereich B durch die Abstände A der Wirkelemente WEn=1 2 voneinander definiert, für die gilt: AMIN i A < AB oder AMIN i A < AB und AB < AMAX- In dieser
Weiterbildung wird eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=1 2 nur dann ausgeführt, sofern die Wirkelemente WEn=i ,2 einen Abstand A haben, für den gilt: A > AB oder A > AB. Besonders bevorzugt weisen die Wirkelemente (Greiferbacken) des Parallelbackensgreifers keine Sensoren auf.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Robotergreifers weist das Sensorsystem einen oder mehrere der folgenden Sensoren auf: einen Positionssensor zur Ermittlung einer Position qAE der Antriebseinheit AE und/oder einen Positionssensor zur Ermittlung einer
Position qAS des Abtriebsstrangs AS und/oder einen Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung einer Antriebseinheitsgeschwindigkeit qAE de r Antriebseinheit AE und/oder einen Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung einer Abtriebsstranggeschwindigkeit qAS des Abtriebsstrangs AS und/oder einen Drehmomentsensor zur Ermittlung eines
Drehmoments tAE der Antriebeinheit AE und/oder einen Drehmomentsensor zur
Ermittlung eines Drehmoments TAS im Abtriebsstrang AS und/oder einen Stromsensor zur Ermittlung des Motorstroms I M eines Elektromotors der Antriebseiheit AE.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Robotergreifers ist die
Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass die Kollisionsüberwachung auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Robotergreifers erfolgt.
Vorteilhaft ist die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass die
Kollisionsüberwachung unter Nutzung eines Störgrößenbeobachters erfolgt,
insbesondere durch einen Leistungsbeobachter oder einen Impulsbeobachter oder einen Geschwindigkeitsbeobachter oder einen Beschleunigungsbeobachter.
Vorteilhaft werden zur Kollisionsüberwachung eine oder mehrere der gemessenen Größen: qAE , qAS , qAE , qAE qAS , qAS t AE , t AS , lM verwendet. Dabei können die
Größen: qAE , qAE bzw. qAS , qAS auch auf Basis entsprechender Zeitableitungen aus den Größen: qAE bzw. qAS ermittelt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Robotergreifers zeichnet sich dadurch aus, dass die Antriebseinheit AE ein Motor ist, der über ein Getriebe an den Abtriesstrang AS gekoppelt ist, und dass ein Drehmomentsensor zur Ermittlung eines Drehmoments TAS im
Abtriebsstrang AS zwischen Getriebe und Abtriebsstrang geschaltet ist. Der Motor ist vorteilhaft ein Elektromotor.
Vorteilhaft ist die Steuereinheit derart ausgeführt und eingerichtet, dass die Operation aus folgenden Möglichkeiten einer nicht abschließenden Liste gewählt wird: Stoppen der Antriebseinheit AE,
Ansteuern der Antriebseinheit AE zur Gravitationskompensation,
Ansteuern der Antriebseinheit AE zur Reibungskompensation,
Ansteuern der Antriebseinheit AE derart, dass ein kontrolliertes kontinuierliches voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt,
Ansteuern der Antriebseinheit AE derart, dass ein reflexartiges voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt.
Vorteilhaften weist der Robotergreifer ein Gehäuse auf, in das zumindest die
Antriebseinheit AE und die Steuereinheit integriert sind. Die Steuereinheit umfasst vorteilhaft einen Prozessor, eine Speichereinheit sowie eine Schnittstelle zur Vorgabe von Soll-Steuergrößen, beispielsweise von einem Zentralrechner zur Steuerung eines
Roboters, mit dem der Robotergreifer verbunden ist.
Die Erfindung betrifft schließlich einen Roboter oder Humanoiden mit einem
Robotergreifer, wie vorstehend beschrieben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnungen - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen stark schematisierten Verfahrensablauf, und
Fig. 2 einen stark schematisierten Aufbau eines vorgeschlagenen
Robotergreifers
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Ablauf eines Verfahrens zum Betrieb eines Robotergreifers, wobei der Robotergreifer umfasst: zumindest eine Antriebseinheit AE zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn, wobei die Wirkelemente WEn jeweils einen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Arbeitsbereich aufweisen, in dem die Wirkelemente WEn bewegbar sind und den sie erreichen können, eine Steuereinheit zur Steuerung der Antriebseinheit AE, und ein mit der Steuereinheit verbundenes Sensorsystem zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn aufgebrachten Kräften/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1 .
Die Steuereinheit ist derart ausgeführt und eingerichtet, dass für die Wirkelemente WEn eine Kollisionsüberwachung autonom und lokal (d.h. ohne Erfordernis einer externen Steuereinheit oder eines externen Prozessors) ausführbar ist, und dass bei einem für ein Wirkelement WEn erkannten Kollisionsereignis die Antriebseinheit gemäß einer vorgegebenen Operation autonom und lokal angesteuert wird.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, die beim Betrieb des Robotergreifers insbesondere beim Greifen eines Objekts durch den Robotergreifer ausgeführt werden.
In einem ersten Schritt 201 erfolgt für die Wirkelemente WEn jeweils ein Bereitstellen eines definierten Bereiches Bn innerhalb der zugeordneten Arbeitsbereichs ABn.
Bei der Ansteuerung des Robotergreifers zur Ausführung einer Greifaufgabe, bspw. gesteuert durch eine externe zentrale Steuereinheit eines Roboters, mit dem der Robotergreifer verbunden ist, erfolgt in Schritt 202 von der Steuereinheit des
Robotergreifers ein autonomes Durchführen der Kollisionsüberwachung für die
Wirkelemente WEn immer dann, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn außerhalb des Bereichs B befinden und ein Deaktivieren der Kollisionsüberwachung für die
Wirkelemente WEn, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des Bereichs B befinden.
Vorteilhaft erzeugt die Steuereinheit des Robotergreifers ein Kollisionssignal, sofern für eines der Wirkelemente WEn eine Kollision erkannt wird. Vorteilhaft erzeugt die
Steuereinheit des Robotergreifers ein Deaktivierungssignal, sofern die
Kollisionsüberwachung für ein Wirkelement WEn deaktiviert wird. Vorteilhaft stellt der Robotergreifer das Kollisionssignal und/oder das Deaktivierungssignal an eine
Schnittstelle bereit, sodass diese an externe Steuereinheiten weitergeleitet werden können.
In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Kollisionsüberwachung für alle Wirkelemente WEn deaktiviert, sofern sich zumindest ein Wirkelement WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befindet.
Fig. 2 zeigt einen stark schematisierten Aufbau eines vorgeschlagenen Robotergreifers 100, der als Parallelbackengreifer ausgeführt ist. Der Robotergreifer 100 umfasst: eine Antriebseinheit 101 , die vorliegend als Elektromotor mit einem nachgeschalteten Getriebe 1 10 ausgebildet ist, und die zum Antrieb eines Abtriebsstrangs 102 mit einer Anzahl N=2 von Wirkelementen WEn=1 2 103 (auch genannt: Greifbacken) dient. Die Antriebseinheit 101 treibt über den Antriebsstrang 102 die Wirkelemente WEn=i ,2 103 derart an, dass sie sich entweder aufeinander zu oder voneinander wegbewegen und somit sich der Abstand A der Wirkelemente WEn=i ,2 103 entsprechend ändert.
Die zwei Wirkelemente WEn=i ,2 103 weisen einen gemeinsamen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Arbeitsbereich AB auf, in dem die Wirkelemente WEn=1 2 103 bewegbar sind bzw. den sie einnehmen können. Der Arbeitsbereich AB setzt sich vorliegend aus einem ersten Arbeitsbereich ABn=1 der in Fig. 2 dargestellten oberen Greifbacke 103a, welcher von der dargestellten Position
Figure imgf000015_0001
bis zu einer Mitte (Strich- Punkt-Punkt-Linie) reicht und einem zweiten Arbeitsbereich ABn=2 der in Fig. 2
dargestellten unteren Greifbacke 103b, welcher von der dargestellten Position
Figure imgf000015_0002
bis zu der Mitte (Strich-Punkt-Punkt-Linie) reicht, zusammen.
Der zusammengesetzte Arbeitsbereich AB des Parallelbackengreifers entspricht somit vorliegend allen Abständen A der Wirkelemente WEn=i ,2 103 von A = 0 (minimaler Abstand der Wirkelemente WEn=1 2) bis zu bzw. einschließlich dem maximalen Abstand
Figure imgf000015_0003
den die Wirkelemente WEn=i ,2 103 voneinander einnehmen können (in der Fig. 2 als AB gekennzeichnet).
Der Parallelbackensgreifer weist weiterhin eine Steuereinheit 104 zur Steuerung der Antriebseinheit 101 und ein mit der Steuereinheit 104 verbundenes Sensorsystem 105 zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn=1 2 aufgebrachten
Kräften/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1 auf.
Das Sensorsystem 105 umfasst vorliegend einen Positionssensor zur Ermittlung einer Motorposition qAE des Elektromotors, einen Stromsensor zur Ermittlung eines Motorstroms IAE des Elektromotors sowie einen zwischen das Getriebe 1 10 und den Abtriebsstrang 102 geschalteten Drehmomentsensor zur Ermittlung des Drehmoments TAS . Die Messgrößen qAE , IAE und TAS werden der Steuereinheit 104 bereitgestellt.
Der Parallelbackengreifer 100 weist weiterhin eine Schnittstelle 1 1 1 für elektrische Energie sowie ein Steuersignal einer externen Steuereinheit auf. Die Schnittstelle 1 1 1 ist durch zumindest eine Signalleitung 1 12 und zumindest eine elektrische Leitung 1 13 mit der Steuereinheit 104 verbunden.
Wird der Parallelbackengreifer 100 beispielsweise als Effektor mit einem Manipulator eines Roboters verbunden, so werden über die Schnittstelle 1 1 1 beispielsweise
Steuersignale einer zentralen Steuereinheit des Roboters sowie elektrische Energie für den Parallelbackengreifer 100 bereitgestellt.
Die Steuereinheit 104 ist derart ausgeführt und eingerichtet, dass für die Wirkelemente WEn=1 2 103 eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist; die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=i ,2 103 nur dann durchgeführt wird, wenn sich die jeweiligen
Wirkelemente WEn=1 2 103 außerhalb eines innerhalb des Arbeitsbereichs AB liegenden vorgegebenen Bereichs B befinden; die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=1 2 103 deaktiviert wird, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn=1 2 103 zumindest teilweise innerhalb des Bereichs B befinden, und sofern für ein Wirkelement WEn=1 2 ein Kollisionsereignis erkannt wird, die Antriebseinheit 101 gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird.
Diese Kollisionsüberwachung wird grundsätzlich unabhängig von Steuerbefehlen beispielsweise eine externe Roboterstörung ausgeführt.
Der Bereich B, d.h. derjenige Bereich in dem die Kollisionsüberwachung
erfindungsgemäß deaktiviert ist, wird vorliegend je nach Aufgabenstellung entsprechend durch einen Abstandsgrenzwert AB vorgegeben, wobei der Bereich B durch einen Abstand A der Wirkelemente WEn=i ,2 voneinander definiert ist, für den gilt: A < AB oder A < AB und AB < AMAc. In dieser Weiterbildung wird eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=i ,2 nur dann ausgeführt, sofern die Wirkelemente WEn=i ,2 einen Abstand > oder > AB haben. Besonders bevorzugt weisen die Wirkelemente (Greiferbacken) des Parallelbackensgreifers keine Sensoren auf.
In Fig. 2 werden die vorstehend angegebenen Bereiche für eine Situation
veranschaulicht, bei der eine Kugel (im Querschnitt) mittig zwischen den Greiferbacken 103a, 103b angeordnet ist, wobei sich die Greiferbacken 103a, 103b jeweils in der Position ihrer maximalen Auslenkung, d.h. ihres maximalen Abstandes befinden. Der dargestellte maximale Abstand der Greiferbacken definiert den Arbeitsbereich AB. Der innerhalb des Arbeitsbereichs AB liegende Bereich B gibt den Bereich an, in dem eine Kollisionsüberwachung deaktiviert ist. Der Bereich B wird vorliegend durch den
Durchmesser D = AG der Kugel sowie durch eine Sicherheitszone DB/2 zu beiden Seiten der Kugel definiert.
Werden beim Greifen der Kugel, bei dem die Greiferbacken aus der gezeigten Position aufeinander zu bewegt werden, auf die Greiferbacken externe Kräfte/Momente ausgeübt, dann wird eine entsprechende Kollision detektiert, sofern sich die Greiferbacken jeweils außerhalb des Bereichs B befinden. Die dedizierte Kollision führt zu einer vorgegebenen Operation, insbesondere zu einem Stopp der Antriebseinheit. Weiterhin wird ein
Kollisionssignal an der Schnittstelle 1 1 1 zur Weiterleitung an eine externe Steuereinheit bereitgestellt.
Die Kollisionsüberwachung in der Steuereinheit 104 erfolgt auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Parallelbackengreifers 100. Weiterhin erfolgt die
Kollisionsüberwachung in der Steuereinheit 104 unter Nutzung eines
Störgrößenbeobachters.
Bezugszeichenliste
100 Robotergreifer
101 Antriebseinheit
102 Abtriebsstrang
103 Wirkelemente WEn
104 Steuereinheit
105 Sensorsystem
1 10 Getriebe
1 1 1 Schnittstelle für elektrische Energie und Steuersignal einer externen
Steuereinheit
1 12 Steuersignalleitung
1 13 elektrische Energieleitung
201 , 202 Verfahrensschritte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Robotergreifers, wobei der Robotergreifer (100)
umfasst:
zumindest eine Antriebseinheit AE (101 ) zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS (102) mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn (103), wobei jedes Wirkelement WEn (103) einen körperfest relativ zum Robotergreifer angeordneten Arbeitsbereich ABn aufweist, in dem das jeweilige Wirkelement
WEn bewegbar ist und den es erreichen kann,
eine Steuereinheit (104) zur Steuerung der zumindest einen Antriebseinheit AE (101 ), und
ein mit der Steuereinheit (104) verbundenes Sensorsystem (105) zur Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn (103) aufgebrachten Kräften/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, ..., N und N > 1 , wobei die Steuereinheit (104) derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass für die Wirkelemente WEn (103) eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist, und dass bei einem für ein Wirkelement WEn (103) erkanntes Kollisionsereignis die
Antriebseinheit AE (101 ) gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird, mit folgenden Schritten:
für die Wirkelemente WEn Bereitstellen (201 ) jeweils eines definierten Bereichs Bn innerhalb des jeweiligen Arbeitsbereichs ABn, und
Durchführen (202) der Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn (103) nur dann, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn (103) außerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden und Deaktivieren der
Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei dem der Robotergreifer (100) ein Parallelbackengreifer mit zwei Wirkelementen WEn=1 ,2 (103) ist, wobei
ein gemeinsamer Arbeitsbereich AB der zwei Wirkelemente WEn=1 2 (103) und ein gemeinsamer Bereich B durch jeweilige Abstandsbereiche definiert sind, die Abstände A der Wirkelemente WEn=i ,2 (103) voneinander angeben, der Arbeitsbereich AB alle Abstände A der Wirkelemente WEn=1 2 (103) von einem minimalen Abstand AMIN bis zu einem maximalen Abstand AMAX, den die Wirkelemente WEn=1 2 jeweils voneinander einnehmen können, umfasst, der Bereich B alle Abstände A der Wirkelemente WEn=i ,2 (103) von AMIN bis zu einem vorgegebenen Abstand AB umfasst, wobei gilt: AM|N s A < AB oder AM|N < A < AB und AB < AMAX, und
eine Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn=1 2 (103) nur dann ausgeführt wird, sofern die Wirkelemente WEn=i ,2 (103) einen Abstand A > oder > AB haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem die Kollisionsüberwachung auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Robotergreifers (100) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem die Kollisionsüberwachung unter Nutzung eines Störgrößenbeobachters erfolgt, insbesondere durch einen Leistungsbeobachter oder einen
Impulsbeobachter oder einen Geschwindigkeitsbeobachter oder einen
Beschleunigungsbeobachter.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Sensorsystem (105) mit einem Positionssensor eine Position qAE der Antriebseinheit AE (101 ) ermittelt und/oder mit einem Positionssensor eine Position qAS des Abtriebsstrangs AS (102) ermittelt und/oder mit einem
Geschwindigkeitssensor eine Antriebseinheitsgeschwindigkeit qAE der
Antriebseinheit AE (101 ) ermittelt und/oder mit einem Geschwindigkeitssensor eine Abtriebsstranggeschwindigkeit qAS des Abtriebsstrangs AS (102) ermittelt und/oder mit einem Drehmomentsensor ein Drehmoment tAE der Antriebseinheit AE (101 ) ermittelt und/oder mit einem Drehmomentsensor ein Drehmoment TAS im
Abtriebsstrang AS (102) ermittelt und/oder mit einem Stromsensor einen
Motorstrom I M der Antriebseinheit AE (101 ) ermittelt. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem zur Kollisionsüberwachung eine oder mehrere der gemessenen Größen:
Figure imgf000021_0001
verwendet werden .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die Operation aus Folgenden gewählt wird:
Stoppen der Antriebseinheit AE (101 ),
Ansteuern der Antriebseinheit AE (101 ) zur Gravitationskompensation, Ansteuern der Antriebseinheit AE (101 ) zur Reibungskompensation im System Antriebseinheit AE (101 ) - Abtriebsstrang AS (102),
Ansteuern der Antriebseinheit AE (101 ) derart, dass ein kontrolliertes kontinuierliches voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt, Ansteuern der Antriebseinheit AE (101 ) derart, dass ein reflexartiges voneinander Wegbewegen der Wirkelemente WEn erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem das Definieren (201 ) der Bereiche Bn innerhalb der Arbeitsbereiche ABn durch einen manuellen oder automatisierten Teach-In-Vorgang am Robotergreifer erfolgt, und der Teach-In-Vorgang folgende Schritte umfasst:
Greifen eines Objekts derart, dass jedes der Wirkelemente WEn (103) das Objekt mechanisch kontaktiert, wobei der dabei von den Wirkelementen WEn (103) eingeschlossene Bereich die Bereiche AGn definiert,
Ermitteln der Bereiche Bn indem die Bereiche AGn nach außen um
vorgegebene Delta-Bereiche DBP erweitert werden, so dass gilt: Bn = AGn + DBP, und
Speichern von Bn.
Robotergreifer (100) umfassend:
zumindest eine Antriebseinheit AE (101 ) zum Antrieb eines Abtriebsstrangs AS (102) mit einer Anzahl N von Wirkelementen WEn (103), wobei die Wirkelemente WEn (103) jeweils körperfest relativ zum Robotergreifer (100) angeordnete Arbeitsbereiche ABn aufweisen, in denen die Wirkelemente WEn (103) jeweils bewegbar sind und die sie erreichen können,
eine Steuereinheit (104) zur Steuerung und Regelung der zumindest einen Antriebseinheit AE (101 ), und ein mit der Steuereinheit (104) verbundenes Sensorsystem (105) zur
Ermittlung von extern auf die einzelnen Wirkelemente WEn (103) aufgebrachten Kräften/Momenten Fext,WEn(t), mit n = 1 , 2, N und N > 1 , wobei die Steuereinheit (104) derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass für die Wirkelemente WEn (103) eine Kollisionsüberwachung ausführbar ist,
die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn (103) nur dann durchgeführt wird, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn (103) außerhalb eines innerhalb des Arbeitsbereichs ABn liegenden vorgegebenen zugeordneten Bereichs Bn befinden,
die Kollisionsüberwachung für die Wirkelemente WEn (103) deaktiviert wird, wenn sich die jeweiligen Wirkelemente WEn (103) zumindest teilweise innerhalb des zugeordneten Bereichs Bn befinden, und sofern für ein Wirkelement WEn (103) ein Kollisionsereignis erkannt wird, die Antriebseinheit (101 ) gemäß einer vorgegebenen Operation angesteuert wird.
10. Robotergreifer (100) nach Anspruch 9,
bei dem das Sensorsystem (105) aufweist: einen Positionssensor zur Ermittlung einer Position qAE der Antriebseinheit AE (101 ) und/oder einen Positionssensor zur
Ermittlung einer Position qAS des Abtriebsstrangs AS (102) und/oder einen
Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung einer Antriebseinheitsgeschwindigkeit qAE der Antriebseinheit AE (101 ) und/oder einen Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung einer Abtriebsstranggeschwindigkeit qAS des Abtriebsstrangs AS (102) und/oder einen Drehmomentsensor zur Ermittlung eines Drehmoments tAE der
Antriebeinheit AE (101 ) und/oder einen Drehmomentsensor zur Ermittlung eines Drehmoments TAS im Abtriebsstrang AS (102) und/oder einen Stromsensor zur Ermittlung eines Motorstroms I M eines Elektromotors der Antriebseinheit AE (101 ).
1 1. Robotergreifer (100) nach Anspruch 9 oder 10,
bei dem die Antriebseinheit AE (101 ) ein Motor ist, der über ein Getriebe (1 10) an den Abtriesstrang (102) gekoppelt ist, und ein Drehmomentsensor zur Ermittlung eines Drehmoments TAS im Abtriebsstrang AS (102) zwischen Getriebe (1 10) und Abtriebsstrang AS (102) geschaltet ist.
12. Roboter oder Humanoid mit einer Robotergreifer (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 .
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