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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein fingerartiges Greifwerkzeug,
das mehrere über
Drehgelenke miteinander verbundene starre Verbindungselemente aufweist.
Ein derartiges Greifwerkzeug lässt sich
bspw. in der Robotertechnik zum formschlüssigen Greifen von Gegenständen unterschiedlicher Größen und
Geometrien einsetzen.
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Stand der Technik
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Adaptive
fingerartige Greifwerkzeuge sind in der Regel mit adaptiven Stellgliedern
in den einzelnen Gelenken realisiert oder weisen Seilzüge für die Bewegung
der Gelenke auf. Derartige Greifwerkzeuge erfordern jedoch einen
hohen steuerungstechnischen Aufwand für die Durchführung der
unterschiedlichen Greifaufgaben.
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Die
US 6260902 B1 beschreibt
ein gattungsgemäßes Greifwerkzeug,
bei dem die Drehgelenke zwischen den starren Verbindungselementen über Querstreben
verbunden sind. Das Greifwerkzeug dieser Druckschrift erfordert
einen Aktuator, mit dem Tangentialkräfte auf die äußere Reihe
von Verbindungselementen aufgebracht werden müssen, um ein Greifen überhaupt
zu ermöglichen,
sowie Anschläge,
die als Endpositionen das Öffnen
der beiden Greifarme begrenzen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Greifwerkzeug
bereitzustellen, das mit einem geringeren steuerungstechnischen
Aufwand einsetzbar ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit dem fingerartigen Greifwerkzeug gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Greifwerkzeugs sind Gegenstand
der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Das
vorliegende Greifwerkzeug weist zwei über Drehgelenke an einem Träger befestigte
Greifflanken auf, die an einem dem Träger gegenüberliegenden Ende zusammenlaufen
und über
ein Drehgelenk miteinander verbunden sind. Die Greifflanken sind
aus mehreren über
Drehgelenke miteinander verbundenen starren Verbindungselementen
gebildet, wobei zwischen den Greifflanken ein oder mehrere starre
Querstreben angeordnet sind, die jeweils zwei sich gegenüberliegende
Verbindungselemente der beiden Greifflanken über Drehgelenke verbinden. Die
Querstreben sind hierbei mit einer zentralen Stelle der Verbindungselemente
verbunden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Greifwerkzeugs sind an den
Drehgelenken und/oder starren Verbindungselementen zumindest einer
der Greifflanken Rückstellmittel
angeordnet, die die Drehgelenke bei einer Auslenkung aus einer Ruhestellung
mit einer Rückstellkraft
beaufschlagen. Weiterhin weisen vorzugsweise alle Drehgelenke des Greiffingers zueinander
parallele Drehachsen auf, die senkrecht zu einer durch die Greifflanken
aufgespannten Ebene verlaufen.
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Diese
Ausgestaltungen des Greifwerkzeugs bewirken, dass sich beim Greifen
eines Objekts die um den Krafteinleitungspunkt befindlichen Elemente des
Greifwerkzeugs ohne weiteres Zutun entgegen der Kraftrichtung auf
das krafteinleitende Objekt zu bewegen. Das Greifwerkzeug ermöglicht somit
formschlüssiges
Greifen von Objekten unterschiedlicher Größen und Geometrien ohne einen
zusätzlichen Antrieb
für die
Bewegung der einzelnen Fingerglieder, d. h. der starren Verbindungselemente über die Drehgelenke.
Die einzelnen durch die starren Verbindungselemente gebildeten Fingerglieder
des Greiffingers sind vielmehr beim vorliegenden Greifwerkzeug über passive
Drehgelenke miteinander verbunden und haben keine eigenen Antriebe.
Die vorzugsweise vorgesehenen Rückstellmittel,
die bspw. als Federn realisiert sein können, sorgen für die Rückstellung
der einzelnen Fingerglieder in eine Ausgangslage, sobald sich das
Greifwerkzeug wieder vom Objekt entfernt.
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Das
Greifwerkzeug ist ein autonomes Modul, das sich in jede Greiferaktorik
integrieren lässt,
die durch lineare oder rotatorische Bewegung Kraft auf das Greifobjekt
ausüben
kann. Je höher
die (Gegen-)Kraft des Greifobjektes auf das Greifwerkzeug wird,
desto stärker
ist die Greifkraft der einzelnen Fingerglieder. Das vorliegende
Greifwerkzeug ist in der Anzahl der Fingerglieder und damit der
Freiheitsgrade beliebig variierbar. Aufgrund der automatischen Adaption
des Greifwerkzeugs an das zu greifende Objekt ist der steuerungstechnische
Aufwand beim Einsatz dieses Greifwerkzeugs in einer Greiferaktorik sehr
gering. Das Greifwerkzeug muss lediglich in der richtigen Orientierung
auf das Greifobjekt zu bewegt werden.
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Die
Verbindungselemente sind vorzugsweise stab- oder plattenförmig ausgebildet. Im Falle
einer plattenförmigen
Ausbildung können
die Platten zentrale Öffnungen
aufweisen, in denen die Drehgelenke für die Querstreben gelagert
sind. Dies ermöglicht
einen kompakten Aufbau des Greifwerkzeugs ohne seitlich hervorstehende
Teile.
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Beim
Einsatz des Greifwerkzeugs ist dieses vorzugsweise mit seinem Träger an einer
linear verschiebbaren oder um eine Achse rotierbaren Aktorik befestigt,
wobei im Falle der rotierbaren Aktorik die Drehachsen der Drehgelenke
parallel zur Rotationsachse verlaufen.
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Der
in der nachfolgenden Beschreibung mit Begriffen wie "fingerartig" oder "Fingerglieder" hergestellte Bezug
zu einem Finger ist lediglich aufgrund der vergleichbaren Kinematik
gewählt,
schränkt
jedoch die möglichen
Dimensionen des Greifwerkzeugs nicht ein. Das Greifwerkzeug kann
vielmehr auch deutlich andere Dimensionen als beispielsweise ein
menschlicher Finger aufweisen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Das
vorliegende Greifwerkzeug wird nachfolgend ohne Beschränkung des
durch die Patentansprüche
vorgegebenen Schutzbereichs anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
den Aufbau des Greifwerkzeugs der vorliegenden Erfindung;
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2 Beispiele
für die
Ausgestaltung des Greifwerkzeugs mit einer unterschiedlichen Anzahl von
Freiheitsgraden;
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3 eine
Darstellung zur Veranschaulichung des Greifvorgangs mit dem vorliegenden Greifwerkzeug;
und
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4 ein
Beispiel für
die Realisierung eines Greifwerkzeugs mit plattenförmigen Verbindungselementen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
ein Beispiel für
den Aufbau eines Greifwerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung, im
Folgenden auch als Greiffinger bezeichnet. Das Greifwerkzeug setzt
sich aus n starren Verbindungselementen 5 und Querstreben 6 zusammen,
im vorliegenden Beispiel 8 Stäben und 3 Querstreben.
Jeweils 4 Stäbe
bilden dabei eine Greifflanke 2 bzw. 3. Die beiden
Greifflanken 2, 3 sind voneinander beabstandet
an einem Träger 1 über jeweils
ein Drehgelenk 4 befestigt und laufen an ihrem dem Träger 1 gegenüberliegenden
Ende zusammen. An diesem Ende sind sie über ein Drehgelenk 4 miteinander
verbunden. Zwischen den Greifflanken 2, 3 sind
die Querstreben 6 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel
ebenfalls als Stäbe
ausgebildet sind und jeweils zwei sich gegenüberliegende Verbindungselemente 5 der
Greifflanken 2, 3 über Drehgelenke 4 verbinden.
Sämtliche
in dieser und den nachfolgenden Figuren dargestellten Kreise stellen
Drehgelenke 4 dar, die zueinander parallele Drehachsen
aufweisen. Die Drehachsen verlaufen senkrecht zu der durch die Greifflanken 2, 3 aufgespannten
Ebene, d.h. in der vorliegenden Figur senkrecht zur Blattebene.
Alle Verbindungspunkte zwischen den Verbindungselementen 5 sowie
zwischen den Verbindungselementen 5 und den Querstreben 6 sind
als Drehgelenke 4 ausgebildet.
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Um
die Rückstellung
dieser Greifkinematik nach einer Krafteinwirkung sicher zu stellen,
sind an den Drehgelenken 4 zwischen den Verbindungselementen 5,
die die Flanken bilden, Federelemente angebracht. Diese Federelemente
sind in den 1–3 nicht
dargestellt. Für
die Funktion des Greiffingers ist es ausreichend, eine der beiden
Greifflanken 2, 3 an den entsprechenden Drehgelenken 4 mit
Federelementen zu versehen.
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Die
folgende 2 zeigt drei unterschiedliche
Greiffinger mit einer unterschiedlichen Anzahl von Verbindungselementen 5 und
Querstreben 6. Durch diese unterschiedliche Anzahl der
durch die Verbindungselemente gebildeten Fingerglieder des Greiffingers
wird eine unterschiedliche Anzahl von Freiheitsgraden für den Greifvorgang
erreicht. So weist der linke Greiffinger der 2 8 starre
Verbindungselemente 5 und 3 Querstreben auf, womit
f = 3 Freiheitsgrade erreicht werden. Der mittlere Greiffinger mit
6 Verbindungselementen 5 und 2 Querstreben 6 hat
2 Freiheitsgrade, der rechte mit 4 Verbindungselementen und einer
Querstrebe lediglich einen Freiheitsgrad. Auf diese Weise lassen
sich durch geeignete Wahl der Anzahl der Verbindungselemente 5 und
Querstreben 6 Greiffinger mit einer unterschiedlichen Anzahl
von Freiheitsgraden zur Anpassung an die jeweilige Greifaufgabe
bereitstellen.
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Für den Greifvorgang
wird der Greiffinger mit seinem Träger 1 an einer geeigneten
Greifaktorik befestigt. 3 zeigt ein Beispiel, bei dem
eine lineare Greifaktorik 8 eingesetzt wird, mit der der
Greiffinger zum Greifen eines Objektes 9 auf das Objekt
zu bewegt werden kann. Der linke Teil der Figur zeigt den Greiffinger
in einer Ausgangsstellung, in der die beiden Greifflanken 2, 3 geradlinig
verlaufen. Wird dieser Greiffinger mit Hilfe der Linearaktorik 8 gegen
das Objekt 9 bewegt, so verformt sich der Greiffinger beim
Auftreffen auf das Objekt 9, wie dies im rechten Teil der 3 dargestellt
ist. Der Greiffinger schmiegt sich dabei im entsprechenden Kontaktbereich
mit dem Objekt an das Objekt 9 an. Die Krafteinwirkung auf
das Objekt 9 ist hierbei mit den Pfeilen 10 gekennzeichnet.
Auch die Bewegungsrichtung der Linearaktorik 8 ist im oberen
Teil der Figur mit einem Pfeil angedeutet.
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4 zeigt
schließlich
ein Beispiel für
eine Ausgestaltung des vorliegenden Greifwerkzeugs bzw. Greiffingers
mit plattenförmigen
Verbindungselementen 5. Im linken Teil der Figur ist wiederum schematisch
der Aufbau dieses Greiffingers dargestellt, wobei diesmal die Federn 7 als
Rückstellelemente
an der rechten Greifflanke 2 angedeutet sind.
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Die
Figur zeigt Darstellungen des Greiffingers in verschiedenen Bewegungsstadien
beim Greifen eines hier nicht dargestellten Objekts. Die plattenförmigen Verbindungselemente 5 weisen
zentrale Öffnungen 11 auf,
in denen die Drehgelenke 4 für die Querstreben 6 gelagert
sind. Auf diese Weise wird ein kompakter Aufbau des Greiffingers
erreicht.
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Der
vorliegende Greiffinger ermöglicht
einen formschlüssigen
und sicheren Griff um das Greifobjekt, wobei keine Aktoren in den
Fingergelenken benötigt
werden. Der Greiffinger ist somit für jegliche Handhabungsaufgaben
geeignet, bei denen das Greifwerkzeug flexibel und schnell auf veränderte geometrische
Eigenschaften des Greifobjektes reagieren muss.
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- 1
- Träger
- 2
- rechte
Greifflanke
- 3
- linke
Greifflanke
- 4
- Drehgelenk
- 5
- starres
Verbindungselement
- 6
- starre
Querstrebe
- 7
- Feder
- 8
- Linearaktorik
- 9
- Objekt
- 10
- Krafteinleitung
- 11
- zentrale Öffnung