DE102013107921A1 - Manipulator gripper for meat cutting - Google Patents
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Abstract
Ein Manipulatorgreifer (100) für die Fleischzerlegung, umfasst: – einen Grundkörper (10) zur Verbindung mit einem Manipulator; – einer festen Backe (11), die an dem Grundkörper (10) ausgebildet ist oder mit dem Grundkörper (10) fest verbunden ist; und – eine bewegliche Fingereinheit (20), die gelenkig mit dem Grundkörper verbunden ist. Dabei umfasst die Fingereinheit (20) zwei an einem Fingergelenk (P4) miteinander verbundene Fingerelemente (21, 22), wobei das erste Fingerelement (21) an einem ersten Basisgelenk (P3) an den Grundkörper (10) angebunden ist. Außerdem ist wenigstens ein Linearaktorelement (30) vorgesehen, das ein verschiebbares Kolbenelement aufweist (31), das mit der Fingereinheit (20) verbunden ist.A manipulator gripper (100) for meat cutting, comprising: - a base body (10) for connection to a manipulator; - A fixed jaw (11) which is formed on the base body (10) or fixedly connected to the base body (10); and - a movable finger unit (20) hingedly connected to the base body. In this case, the finger unit (20) comprises two finger elements (21, 22) connected to one another at a finger joint (P4), the first finger element (21) being connected to the base body (10) at a first base joint (P3). In addition, at least one linear actuator element (30) is provided, which has a displaceable piston element (31) which is connected to the finger unit (20).
Description
Die Erfindung betrifft einen Manipulatorgreifer für die Fleischzerlegung, wenigstens umfassend:
- – einen Grundkörper zur Verbindung mit einem Manipulator;
- – eine feste Backe, die an dem Grundkörper ausgebildet ist oder mit dem Grundkörper fest verbunden ist;
- – eine bewegliche Fingereinheit, die gelenkig mit dem Grundkörper verbunden ist.
- A base body for connection to a manipulator;
- - A fixed jaw, which is formed on the base body or fixedly connected to the main body;
- - A movable finger unit, which is pivotally connected to the body.
Bei der Fleischzerlegung sind robotergestützte Systeme bekannt, die die Grobzerlegung von Schlachtvieh durchführen können, jedoch bleibt die Feinzerlegung noch immer Handarbeit. In Schlachthöfen sind zahlreiche Arbeiter damit beschäftigt, Fleischstücke fachgerecht zu zerlegen und diese einem weiteren Arbeitsschritt zuzuführen. Diese monotonen Arbeit und die Arbeitsbedingungen bei Raumtemperaturen von 5° bis 7 °C führen zu schwankenden Qualitätsergebnissen. Auch finden sich zunehmend weniger Arbeitskräfte, die bereit und in der Lage sind, die Fleischzerlegung fachgerecht durchzuführen.In meat dissection, robotic systems are known that can perform coarse dissection of slaughter cattle, however, fine dissection still remains manual labor. In slaughterhouses, many workers are busy dissecting pieces of meat properly and feeding them into another step. This monotonous work and the working conditions at room temperatures of 5 ° to 7 ° C lead to fluctuating quality results. There are also increasingly fewer workers who are willing and able to carry out the meat cutting professionally.
Ein Problem hinsichtlich einer stärkeren Automatisierung besteht darin, dass der zu bearbeitende Werkstoff organisch weich und somit schwer handzuhaben ist. Während die bei organischen Stoffen stets auftretenden strukturellen Abweichungen und Inhomogenitäten über ein Bilderkennungssystem erfasst werden können und als Grundlage für eine individuell angepasste Werkzeugführung dienen können, bleibt das Problem der mechanischen Handhabung des Fleischstücks bestehen. One problem with greater automation is that the material being processed is organically soft and thus difficult to handle. While the structural deviations and inhomogeneities that always occur in the case of organic substances can be detected by means of an image recognition system and can serve as the basis for an individually adapted tool guide, the problem of mechanical handling of the meat piece remains.
Für eine automatisierte Fleischzerlegung bietet sich wie bei der manuellen Bearbeitung eine zweihändige Bearbeitung an, für die zum einen ein geführtes Messerwerkzeug an einem ersten Manipulator und zum anderen ein weiteres Element an einem zweiten Manipulator benötigt wird, das folgende Funktionen in sich vereint:
- – grobes Greifen,
- – feines Greifen,
- – Niederhalten und
- – Spreizen.
- - Rough gripping,
- - fine gripping,
- - hold down and
- - spreading.
Die
Aus der
Die
In der
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Manipulatorgreifer für die Fleischzerlegung anzugeben, der die vorgenannten Grundfunktionen erfüllt und eine sichere Handhabung ermöglicht, ohne dass das Fleischstück beschädigt wird. Object of the present invention is to provide a manipulator gripper for the meat decomposition, which fulfills the aforementioned basic functions and allows safe handling without the meat piece is damaged.
Als Lösung wird nach der vorliegenden Erfindung ein Manipulatorgreifer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.As a solution according to the present invention, a manipulator gripper with the features of claim 1 is proposed.
Dieser setzt auf einem Konzept an, das zwei bewegliche Fingerelemente vorsieht. Damit ist der erfindungsgemäße Manipulatorgreifer nicht nur ein einfacher Greifer mit zwei schwenkbeweglich zueinander angeordneten Hälften, sondern erfindungsgemäß ist die kinematische Grundstruktur der menschlichen Hand näher angenähert. Damit kann beim Schließen des Greifers eine Krümmung im Fingerelement erreicht werden, so dass die umgriffene Querschnittsfläche umschlossen wird, ohne das eingeschlossene Gut zu quetschen. Zugleich ist beim Übergang in die gestreckte Lage bei Öffnung des Greifers ein Abspreizen des äußeren Fingerelements möglich, um eine große Öffnungsweite zu erzielen und das ungehinderte Ablegen des Fleischstückes zu ermöglichen.This relies on a concept that provides two movable finger elements. Thus, the manipulator gripper invention is not only a simple gripper with two halves pivotally arranged to each other, but according to the invention, the kinematic basic structure of the human hand is closer approximated. Thus, when closing the gripper, a curvature in the finger element can be achieved, so that the encompassed cross-sectional area is enclosed without squeezing the enclosed material. At the same time when spreading the gripper a spreading of the outer finger element is possible in the transition to the extended position to achieve a large opening width and to allow unhindered depositing the piece of meat.
Erfindungsgemäß ist als Antrieb ein Linearaktorelement vorgesehen, welches ein verschiebbares Kolbenelement aufweist, das mit der Fingereinheit verbunden ist. Als Linearaktorelemente kommen Motoren oder Pneumatikzylinder infrage, die den Vorteil besitzen, auch in rauen Arbeitsumgebungen zuverlässig über einen längeren Zeitraum zu wirken und problemlos für die Verarbeitung von Lebensmitteln eingesetzt werden können. Zur Verbindung des Grundkörpers, der beweglichen Fingerelemente und des Antriebselements ist erfindungsgemäß ein Koppelgetriebe vorgesehen, das robust auszuführen ist und mit dem die für die verschiedenen Arbeitsschritte bei der Fleischzerlegung notwendigen Kräfte sowohl beim Greifen wie auch beim Spreizen problemlos aufgebracht werden können. According to the invention, a linear actuator element is provided as the drive, which has a displaceable piston element which is connected to the finger unit. As linear actuator elements are motors or pneumatic cylinders in question, which have the advantage of acting reliably even in harsh working environments over a longer period of time and can be used easily for the processing of food. To connect the body, the movable finger elements and the drive element according to the invention a coupling mechanism is provided, which is robust and with which the forces necessary for the various steps in the meat decomposition forces can be applied easily both when gripping and spreading.
Vorzugsweise ist das Koppelgetriebe dadurch ausgebildet, dass ein Koppelelement vorgesehen ist, welches an seinem einen Ende an einem ersten Basisgelenk an den Grundkörper angebunden ist und welches an seinem anderen Ende an einem Koppelgelenk mit dem zweiten Fingerelement verbunden ist. Zugleich ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass das Linearaktorelement am Grundkörper angebracht ist und über ein Antriebslagerelement mit dem ersten Fingerelement verbunden ist. Insgesamt sind somit vier wesentliche Bauelemente, nämlich der Grundkörper, die beiden Fingerelemente und das Koppelelement, über insgesamt vier Gelenke zu einer Parallelogrammstruktur verbunden, an welcher über ein fünftes Gelenk das Linearaktorelement angreift. Hierdurch ist es möglich, mit nur einem Aktor zwei bewegliche Fingerelemente derart zu steuern, dass bei einer Schließbewegung des erfindungsgemäßen Greifers nicht nur die gesamte Fingereinheit näher an den Grundkörper herangeführt wird, sondern dass zugleich das weiter außen liegende, zweite Fingerelement stärker gekrümmt wird und daher mit seinem Ende der festen Backe am Grundkörper beim Schließen am Nächsten kommt. Preferably, the coupling mechanism is formed by the fact that a coupling element is provided, which is connected at its one end to a first base joint to the base body and which is connected at its other end to a coupling joint with the second finger element. At the same time it is provided in this embodiment that the linear actuator element is attached to the base body and is connected via a drive bearing element with the first finger element. Overall, thus four essential components, namely the main body, the two finger elements and the coupling element, connected via a total of four joints to a parallelogram, which acts on a fifth joint, the linear actuator element. This makes it possible to control two movable finger elements with only one actuator such that not only the entire finger unit is brought closer to the body during a closing movement of the gripper according to the invention, but that at the same time the further outlying, second finger element is more curved and therefore with its end the firm cheek comes closest to the body when closing.
Ein weiteres Konzept nach der Erfindung sieht zwei Aktoren vor, wobei der erste Aktor wiederum am Grundkörper angebracht ist und über ein Antriebsgelenk auf das erste Fingerelement wirkt. Am ersten Fingerelement ist eine zusätzliche Konsole vorgesehen, an welcher ein zweites Aktorelement gelagert ist, das seinerseits mit dem zweiten Fingerelement verbunden ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die beiden Fingerelemente unabhängig voneinander bewegt werden können, auch wenn aufgrund der Lagerung des zweiten Aktors am ersten Fingerelement eine erhebliche Verstärkung und damit Gewichtserhöhung erforderlich ist und auch wenn zugleich ein wesentlich erhöhter Bewegungsfreiraum benötigt wird. Another concept according to the invention provides for two actuators, wherein the first actuator is in turn attached to the main body and acts on the first finger element via a drive joint. On the first finger element, an additional console is provided on which a second actuator element is mounted, which in turn is connected to the second finger element. This embodiment has the advantage that the two finger elements can be moved independently, even if due to the storage of the second actuator on the first finger element a significant gain and thus increase in weight is required and also at the same time a significantly increased freedom of movement is needed.
Eine weitere Ausführungsform sieht wiederum zwei Aktorelemente vor, die jedoch beide fest am Grundkörper gelagert sind. Das erste Aktorelement wirkt in bekannter Weise auf das erste Fingerelement. Für das zweite Fingerelement ist ein Parallelogrammgetriebe ausgebildet, welches das erste Fingerelement als einen Schenkel einbezieht. Der zweite Aktor setzt an einem Hebel des Parallelogrammgetriebes an, welcher mit dem ersten Basisgelenk verbunden ist. Eine Bewegung, die am Grundkörper über den zweiten Aktor erfolgt, wird mittels des Parallelogrammgetriebes auf das weiter entfernt liegende zweite Fingerelement übertragen. Auch hier ist der Vorteil, dass beide Fingerelemente unabhängig voneinander bewegt werden können, wobei die Bewegung des zweiten Fingerelements in Abhängigkeit von der Bewegung des ersten Fingerelements über eine entsprechende regelungstechnische Abstimmung der Aktoren erfolgen kann. A further embodiment in turn provides two actuator elements, which, however, are both fixedly mounted on the base body. The first actuator element acts in a known manner on the first finger element. For the second finger element, a parallelogram gear is formed, which includes the first finger element as a leg. The second actuator is connected to a lever of the parallelogram gear, which is connected to the first base joint. A movement which takes place on the main body via the second actuator is transmitted by means of the parallelogram transmission to the farther remote second finger element. Again, there is the advantage that both finger elements can be moved independently of each other, wherein the movement of the second finger element in dependence on the movement of the first finger element can be done via a corresponding control engineering vote of the actuators.
Die oben zuerst beschriebene, bevorzugte Ausführungsform, die mit nur einem Aktor ermöglicht, eine Krümmungsbewegung bei den Fingerelementen während des Schließens einzuleiten, erfüllt die Forderungen an die vier genannten Grundfunktionen und ermöglicht zugleich eine einfache Bauweise. Bei dieser Ausführungsform ist insbesondere vorgesehen, dass in einer gestreckten Lage der Fingerelemente folgende geometrische Beziehungen bestehen:
- – Das Fingergelenk ist seitlich abgesetzt von einer Mittellinie angeordnet, welche am ersten Basisgelenk ansetzt und durch die in gestreckter Lage befindlichen Fingerelemente hindurchläuft. Die Mittellinie muss nicht vollständig gerade sein, sondern kann als Polygonzug über die Gelenkpunkte hinweg gesehen werden. Die Gelenkverbindung zwischen den Fingerelementen ist somit nach außen rückwärts, also von der Greiferfläche weg, versetzt.
- – Dort, wo sich die Fingerelemente in der gestreckten Lage in seitlicher Ansicht überdecken, ist bevorzugt das Koppelgelenk vorgesehen, an dem das Koppelelement angreift. Das Koppelgelenk sollte nicht im inneren Bereich des Greifers liegen, um beim Greifvorgang nicht hinderlich zu wirken. Ein möglichst großer Abstand zwischen dem Koppelgelenk und dem Fingergelelenk ist vorteilhaft, um einen möglichst großen Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Fingerelement einstellen zu können Somit ergibt sich in seitlicher Ansicht eine trapezähnliche Struktur zwischen den beiden am Grundkörper angeordneten Basisgelenken, dem Fingergelenk und dem Koppelgelenk.
- – Eine Verbindungslinie, die zwischen dem zweiten Basisgelenk und dem Koppelgelenk verläuft, schneidet eine weitere Verbindungslinie zwischen dem ersten Basisgelenk und dem Fingergelenk.
- – Außerdem ist der Abstand zwischen dem zweiten Basisgelenk und dem Fingergelenk größer als der Abstand zwischen dem ersten Basisgelenk und dem Koppelgelenk.
- - The finger joint is arranged laterally offset from a center line, which attaches to the first base joint and passes through the finger elements located in the extended position. The centerline does not have to be completely straight, but can be seen as a polygon across the pivot points. The articulation between the finger elements is thus outwardly backwards, ie offset from the gripper surface.
- - Where the finger elements overlap in the extended position in a lateral view, the coupling joint is preferably provided, on which the coupling element engages. The coupling joint should not lie in the inner region of the gripper so as not to interfere with the gripping process. The greatest possible distance between the coupling joint and the finger joint is advantageous in order to be able to set the greatest possible angle between the first and the second finger element. This results in a lateral view of a trapezoidal structure between the two base joints arranged on the base body, the finger joint and the coupling joint ,
- A connecting line extending between the second base joint and the coupling joint intersects another connecting line between the first base joint and the finger joint.
- In addition, the distance between the second base joint and the finger joint is greater than the distance between the first base joint and the coupling joint.
Wird nun bei diesen geometrischen Beziehungen über eine Linearverschiebung des Kolbenelements des Aktors eine Schwenkbewegung des ersten Fingerelements, an welchem der Aktor angreift, eingeleitet, so wird über das Koppelgetriebe, das aus den vier Gelenken, dem ersten Fingerelement und dem Koppelelement gebildet ist, eine voreilende Bewegung des zweiten Fingerelements erreicht, Bei der erfindungsgemäßen Kinematik verlängert sich die Strecke zwischen dem zweiten Basisgelenk und dem Fingergelenk, während zugleich die Strecke zwischen dem ersten Basisgelenk und dem Koppelgelenk verkürzt wird. If a pivotal movement of the first finger element, on which the actuator engages, is initiated in these geometric relationships via a linear displacement of the piston element of the actuator, a leading end is formed via the coupling mechanism, which is formed from the four joints, the first finger element and the coupling element In the case of the kinematics according to the invention, the distance between the second base joint and the finger joint is lengthened, while at the same time the distance between the first base joint and the coupling joint is shortened.
Um das Linearaktorelement möglichst nah am Grundkörper anordnen zu können und eine Bewegungsrichtung des Kolbenelements vorsehen zu können, die möglichst dicht in dem durch das Koppelgetriebe ohnehin überdeckten Bauraum wirkt, ist vorzugsweise vorgesehen, das Antriebsgelenk seitlich von den in gestreckter Lage befindlichen Fingerelementen abzusetzen. Es kann ein winkelförmiger Ansatz am ersten Fingerelement vorgesehen sein, an dessen Ende das Antriebsgelenk angeordnet ist. In order to arrange the linear actuator element as close to the base body and to provide a direction of movement of the piston element, which acts as tightly as possible in the space already covered by the coupling mechanism space, it is preferably provided to settle the drive joint laterally from the finger elements located in the extended position. An angular projection may be provided on the first finger element, at the end of which the drive joint is arranged.
Für eine einfache und platzsparende Ausführung des Koppelgetriebes, aber auch um eine geeignete Bewegung der Fingerelemente zueinander zu realisieren, ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Fingerelemente gekröpft ausgebildet sind und dass das Fingergelenk an den vorspringenden Seitenschenkeln an der Rückseite der Fingerelemente angeordnet ist. For a simple and space-saving design of the linkage, but also to realize a suitable movement of the finger elements to each other, is preferably further provided that the finger elements are formed cranked and that the finger joint is arranged on the projecting side legs on the back of the finger elements.
Um eine Ausgleichsbewegung zwischen dem Ende des Kolbenelements und dem Antriebsgelenk zu ermöglichen, da das Antriebsgelenk beim Schwenken der Fingereinheit seine Lage verändert, kann entweder das Linearaktorelement selbst gelenkig gelagert sein oder es wird fest am Grundkörper angebracht, und zugleich wird über ein Pleuelgelenk mit einem Pleuelelement ein weiterer Freiheitsgrad eingeführt. Das Pleuelelement ist an seinem einen Ende über ein Gabelelement mit dem Kolbenelement und an seinem anderen Ende mit dem Antriebslagergelenk verbunden und ermöglicht so bei feststehender Kolbenstange die Bewegung des Antriebslagergelenks auf einer Kreisbahn um das erste Basisgelenk.In order to allow a compensating movement between the end of the piston member and the drive joint, since the drive joint when pivoting the finger unit changes its position, either the linear actuator itself can be articulated or it is firmly attached to the body, and at the same time is a connecting rod with a connecting rod another degree of freedom introduced. The connecting rod element is connected at its one end via a fork element to the piston element and at its other end to the drive bearing joint and thus allows for fixed piston rod, the movement of the drive bearing joint on a circular path around the first base joint.
An den Greifflächen können Sensoren angebracht werden, um so die Greifkraft zu ermitteln. Unter Vorgabe eines Wertes für diese Greifkraft entsteht ein Regelkreis des Linearaktorelements.Sensors can be attached to the gripping surfaces to determine the gripping force. Given a value for this gripping force creates a control loop of the linear actuator element.
Um das Herausrutschen gegriffener Fleischstücke zu verhindern, ist eine reibungserhöhende Struktur vorteilhaft. Es kann beispielsweise eine gerippte, sägezahnförmige Struktur vorgesehen werden.To prevent the slipping of gripped pieces of meat, a friction-increasing structure is advantageous. For example, a ribbed, sawtooth-shaped structure may be provided.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. The figures show in detail:
Ein Grundkörper
Bei der in
Im Überdeckungsbereich der Fingerelemente
In den
Wie
Die vergrößerte Darstellung des Manipulatorgreifers
Ein mögliches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Manipulatorgreifers
Der Grundkörper
Das erste Fingerelement
Wie in
Ebenfalls symmetrisch ist die Anordnung von Lagerflanschen
Bei der Ansicht auf den geöffneten Greifer in der Öffnungsstellung in
Schließlich sei auf die gerundete Form an der Unterseite der festen Backen
Die kompakte und wenig seitlich ausladende Bauweise der bevorzugten Ausführungsform eines Manipulatorgreifers
Erfindungswesentlich ist, dass alle Bewegungen bei der in den Figuren dargestellten, bevorzugten Ausführungsform eines Manipulatorgreifers
Aufgrund der jeweils zurückspringenden Kontur von Fingerelement
Um das Herausrutschen von gegriffenen Fleischstücken wirksam zu verhindern, ohne große Klemmkräfte aufbringen zu müssen, hat sich eine gerippte, in Seitenansicht sägezahnförmige Struktur der Backe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2007/138616 A2 [0006] WO 2007/138616 A2 [0006]
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- DE 102011010542 A1 [0008] DE 102011010542 A1 [0008]
- EP 2250905 A1 [0009] EP 2250905 A1 [0009]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: TARVENKORN & WICKORD PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |