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Die Erfindung betrifft einen Robotergreifer.
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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.
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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).
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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).
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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.
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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.
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Aus der
DE 10 2017 111 008 A1 ist ein Roboter bekannt, der ein Werkzeug mit einem stoßdämpfenden Element aufweist. Über das stoßdämpfende Element werden darauf wirkende externe Kräfte auf einen Detektor übertragen. Auf Basis der vom Detektor erfassten Kräfte wird bspw. ermittelt, ob das vom stoßdämpfenden Element zumindest teilweise umgebene Werkzeug mit einer Person kollidiert ist.
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Aus der
DE 10 2016 208 362 A1 ist ein Verfahren zum automatischen Steuern eines Industrieroboters mittels einer Robotersteuerung bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Vorgeben einer zum Greifen eines Gegenstandes durch einen Klemmgreifer zugeordneten Klemmbreite des Gegenstandes, eines Höchstwertes einer Sicherheitsklemmkraft, des Ansteuerns des Motors derart, dass der zumindest teilweise geöffnete Klemmengreifer eine Schließbewegung ausführt, des fortlaufenden Messens einer Klemmkraft an dem Klemmgreifer während des Ansteuern des Motors derart, dass der zumindest teilweise geöffnete Klemmgreife die Schließbewegung ausführt, des Bestimmens der momentanen Greiferöffnungsweite des Klemmgreifers, wenn die momentan gemessene Klemmkraft den vorgegebenen Höchstwert der Sicherheitsklemmkraft überschreitet, und des Anhaltens des Motors, wenn bei Überschreiten des vorgegebenen Höchstwertes der Sicherheitsklemmkraft die momentane Greiferöffnungsweite größer ist, als die dem Gegenstand zugeordnete Klemmbreite.
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Aus der
DE 10 2016 207 942 A1 geht eine Vorrichtung zum Aufnehmen eines Werkstücks hervor, mit einer ersten und einer zweiten Spannbacke, wobei die erste Spannbacke unter Vermittlung eines an einem Basisteil der Vorrichtung mittels Antrieb linear verstellbar gelagerten ersten Schlittens relativ zum Basisteil verstellbar ist.
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Aus der D10 2016 200 492 A1 geht ein Greifer hervor, aufweisend einen Greifergrundkörper, wenigstens einen ersten Greiferfinger und wenigstens einen zweiten Greiferfinger, sowie ein Getriebe das ausgebildet ist, den wenigsten einen ersten Greiferfinger und den wenigsten einen zweiten Greiferfinger relativ zueinander verstellbar am Greifergrundkörper zu lagern, aufweisend eine Kraftmessvorrichtung, die ausgebildet ist, sowohl Kräfte in einer ersten Richtung, als auch Kräfte in einer entgegengesetzten zweiten Richtung zu messen, und die zwischen einem zweiten Schenkel und einem Fingergrundkörper des Greiferfingers angeordnet ist und eingerichtet ist, eine auf eine erste Greiferfläche eines ersten Schenkels wirkende Greifkraft und eine auf die zweite Greiffläche des ersten Schenkels wirkende Greifkraft zu messen.
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Aus der
DE 10 2016 111 173 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Greif- bzw. Spannvorrichtung mit wenigstens einer in einer Bewegungsrichtung bewegbaren Backe und einem an der Backe angeordneten Greif- bzw. Spannfinger hervor. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bewegen des Greif- bzw. Spannfingers von einer Ausgangsposition zu einer voreingestellter Werkstückposition zum Greifen bzw. Spannen eines Werkstücks, wobei mit einem ersten Sensor eine Größe erfasst wird, die eine entgegen der Bewegungsrichtung wirkende Kraft charakterisiert; und Veranlassen einer Aktion, wenn die erfasste Größe vor Erreichen der Werkstückposition einen Grenzwert übersch reitet.
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Aus der
DE 10 2015 008 577 A1 ist eine Robotersteuerungsvorrichtung bekannt, die derart konfiguriert ist, dass sie einen Zustandsübergang zwischen einem Zustand, wobei eine Last eines Werkstücks nicht auf einem Roboter übertragen wird, und einem Zustand erkennt, wobei die gesamte Last eines Werkstücks durch eine Hand auf den Roboter übertragen wird, und sie einen Bereich definiert, der den Roboter und die Hand zum Zeitpunkt des Beginns des Zustandsübergangs umfasst, innerhalb eines Zustandsraums, der den Zustand des Roboters und der Hand ausdrückt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Robotergreifer bereitzustellen, mit dem ein „feinfühligeres“ Greifen und Halten von Objekten möglich ist.
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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.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Robotergreifer aufweisend: einen Elektromotor AE, der über ein Getriebe einen Abtriebsstrang AS antreibt, wobei der Abtriebsstrang AS zumindest zwei Wirkelemente WE1 und WE2 aufweist, weiterhin aufweisend folgende Sensoren: einen Positionssensor zur Erfassung einer Motorposition qAE des Elektromotors AE, einen zwischen Getriebe und Abtriebsstrang AS geschalteten Drehmomentsensor zur Erfassung eines Abtriebsmoments τAS des Abtriebsstrangs AS, und einen Stromsensor zur Erfassung des Motorstroms IAE des Elektromotors AE; und eine Steuereinheit zur Steuerung/Regelung des Elektromotors AE auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Robotergreifers, der gemessenen Sensordaten: qAE, τAS, IAE und eines an einer Schnittstelle des Robotergreifers bereitgestellten Sollwertes, wobei der Sollwert eine Soll-Position qSOLL oder eine Soll-Geschwindigkeit qSOLL oder eine Soll-Beschleunigung qSOLL oder ein Soll-Moment τSOLL des Elektromotors AE oder des Abtriebsstrangs AS ist.
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Die Antriebseinheit erzeugt eine Bewegung, insbesondere eine translatorische und/oder eine rotatorische Bewegung. Diese Bewegung wird über den Abtriebsstrang AS zum Antrieb der Wirkelemente WE1, WE2 genutzt.
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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.
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Der Steuereinheit stehen vorteilhaft zur Steuerung des Elektromotors M folgende Größen zur Verfügung: ein geschätztes Motormoment (= IAE *Drehmomentkonstante), die Motorposition qAE, die Motorgeschwindigkeit q̇AE als Zeitableitung von q̇AE (oder über einen zusätzlichen Motorgeschwindigkeitssensor) und das gemessene Drehmoment τAS im Abtriebsstrang AS.
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Der vorgeschlagene Robotergreifer erlaubt eine genauere und sensiblere Kraftmessung (d.h. eine Messung der Kräfte mit verbesserter Auflösung), Kraftregelung und Kraftüberwachung der von den Wirkelementen WE1 und WE2 aufgenommenen bzw. übertragenen Kräfte. Insbesondere die zusätzliche Drehmomentmessung τAS zwischen Getriebe und Abtriebsstrang AS erhöht die Feinfühligkeit bzw. Genauigkeit der Kraftmessung gegenüber den im Stand der Technik bekannten Robotergreifern.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Robotergreifers zeichnet sich dadurch aus, dass der Robotergreifer ein Gehäuse aufweist, in das der Elektromotor AE, das Getriebe, die genannten Sensoren und die Steuereinheit integriert sind, wobei die Wirkelemente WE1 und WE2 das Gehäuse überragen.
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Vorteilhaft weist der Abtriebsstrang AS einen Riemen, insbesondere einen Zahnriemen auf. Vorteilhaft sind die Wirkelemente WE1 und WE2 lösbar-fest mit dem Abtriebsstrang AS verbunden. Dadurch sind die Wirkelemente austauschbar und entsprechend an eine spezielle Aufgabenstellung anpassbar.
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Das Dynamikmodell wird vorteilhaft zur Kompensation von in dem System: Elektromotor AE - Getriebe - Abtriebsstrang AS auftretenden Reibungseffekten und/oder Verschleiß-Effekten genutzt. Das Dynamikmodell ist ein mathematisches Modell welches das (ideale) dynamische Zusammenwirken der genannten Komponenten des Robotergreifers beschreibt. Auftretende Abweichungen durch Verschleiß und/oder Reibung lassen sich durch eine Implementierung eines Störgrößenbeobachters ermitteln bzw. erkennen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Robotergreifers nutzt daher die Steuereinheit zur Steuerung/Regelung des Motors, insbesondere zur Reibungskompensation bzw. Verschleißkompensation, einen Störgrößenbeobachter, insbesondere einen Leistungsbeobachter oder einen Impulsbeobachter oder einen Geschwindigkeitsbeobachter oder einen Beschleunigungsbeobachter.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Robotergreifers zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit einen Regler mit Drehmomentrückführung aufweist. Die Drehmomentrückführung kann physikalisch als Skalierung (engl. „Shaping“) der Motorträgheit interpretiert werden. Wird die „gefühlte“ Motorträgheit dabei verringert, erhöht sich die Feinfühligkeit des vorgeschlagenen Robotergreifers ebenfalls, was in Kombination mit der vorstehend beschriebenen Reibungskompensation eine deutliche Erhöhung der Feinfühligkeit bzw. der Kraftauflösung des vorgeschlagenen Robotergreifers gegenüber den im Stand der Technik bekannten Robotergreifern ermöglicht.
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Der Robotergreifer ist vorteilhaft als ein Parallelbackengreifer ausgeführt.
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Vorteilhaft sind die zumindest zwei Wirkelemente WE1, WE2 mit dem Abtriebsstrang AS lösbar-fest verbunden und damit austauschbar. Insbesondere sind an den zwei Wirkelementen WE1, WE2 keine Sensoren vorhanden, sodass eine entsprechende Verkabelung der Wirkelemente entfällt und eine leichtere Austauschbarkeit der Wirkelemente gegeben ist.
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Der vorgeschlagene Robotergreifer weist folgende Vorteile auf:
- - die mit dem Abtriebsstrang verbundenen Wirkelemente sind austauschbar, was beispielsweise im Bereich medizinischer Anwendungen von Vorteil ist,
- - aufgrund der nicht vorhandenen Sensoren in den Wirkelementen, wird die Masse der Wirkelemente reduziert, was die Feinfühligkeit des Gesamtsystems verbessert und das Getriebe weniger belastet,
- - die Wirkelemente sind/können modular als Paar verschaltet sein,
- - die Sensoren des vorgeschlagenen Robotergreifers sind einfach kalibrierbar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Roboter oder einen Humanoiden mit einem Robotergreifer, wie vorstehend beschrieben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Robotergreifers, wobei der Robotergreifer aufweist: einen Elektromotor AE der über ein Getriebe einen Abtriebsstrang AS antreibt, wobei der Abtriebsstrang AS zumindest zwei Wirkelemente WE1 und WE2 aufweist; folgende Sensoren: einen Positionssensor zur Erfassung einer Motorposition q̇AE des Elektromotors AE, einen zwischen Getriebe und Abtriebsstrang AS geschalteten Drehmomentsensor zur Erfassung eines Abtriebsmoments τAS des Abtriesstrangs AS und einen Stromsensor zur Erfassung des Motorstroms IAE des Elektromotors AE; und eine Steuereinheit zur Steuerung/Regelung des Elektromotors AE.
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Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Vorgeben eines Dynamikmodells des Robotergreifers,
- - Messen und Bereitstellen der Sensordaten: qAE, τAS, IAE
- - an einer Schnittstelle des Robotergreifers Bereitstellen zumindest eines Sollwertes, wobei der Sollwert eine Soll-Position qSOLL oder eine Soll-Geschwindigkeit qSOLL oder eine Soll-Beschleunigung qSOLL oder ein Soll-Moment τSOLL des Elektromotors AE oder des Abtriebsstrangs AS ist, und
- - Steuern/Regeln des Elektromotors AE auf Basis des Dynamikmodells, der Sensordaten: qAE, τAS, IAE und des zumindest einen Sollwerts.
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Vorteilhaft steuert bzw. regelt die Steuereinheit den Elektromotor M auf Basis folgender Größen: geschätztes Motormoment (= IAE *Drehmomentkonstante), Motorposition qAE, Motorgeschwindigkeit q̇AE (als Zeitableitung von q̇AE oder ermittelt durch einen zusätzlichen Motorgeschwindigkeitssensor am Elektromotor) und Drehmoment τAS im Abtriebsstrang AS.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Steuerung/Regelung des Elektromotors AE ein Störgrößenbeobachter, insbesondere ein Leistungsbeobachter oder ein Impulsbeobachter oder ein Geschwindigkeitsbeobachter oder ein Beschleunigungsbeobachter benutzt wird. Vorteilhaft wird der Störgrößenbeobachter zur Reibungskompensation und Verschleißkompensation des Systems: Elektromotor AE - Getriebe - Abtriebsstrang AS benutzt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zur Regelung bzw. Ansteuerung des Elektromotors AE eine Drehmomentrückführung in einen Regler der Steuereinheit erfolgt. Vorteilhafter Weise wird dadurch eine Skalierbarkeit einer Trägheit des Elektromotors AE erreicht.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Auflösung/Sensitivität/Feinfühligkeit der Kraftmessung, der Kraftregelung aber auch bei der Kraftüberwachung und steigert damit die Feinfühligkeit oder Sensitivität des vorgeschlagenen Robotergreifers bei Greif- oder Haltevorgängen.
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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.
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Es zeigen:
- 1 einen stark schematisierten Aufbau eines vorgeschlagenen Robotergreifers, und
- 2 einen stark schematisiertes Ablaufschema eines vorgeschlagenen Verfahrens
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1 zeigt einen stark schematisierten Aufbau eines vorgeschlagenen Robotergreifers 100, der als Parallelbackengreifer ausgeführt ist. Der Robotergreifer 100 umfasst: einen Elektromotor AE 101 mit einem nachgeschalteten Getriebe 102 und einem nachgeschalteten Abtriebsstrang 103 mit zwei Wirkelementen WE1 und WE2. Der Elektromotor AE 101 treibt über den Antriebsstrang 103 die Wirkelemente WE1, WE2 derart an, dass sie sich gemeinsam entweder aufeinander zu oder voneinander wegbewegen und somit sich der Abstand der Wirkelemente WE1, WE2 entsprechend ändert.
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Der Parallelbackengreifer weist weiterhin eine Steuereinheit 107 zur Steuerung des Elektromotors AE 101 und ein mit der Steuereinheit 107 verbundenes Sensorsystem 105 auf.
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Das Sensorsystem 105 umfasst vorliegend folgende Sensoren: einen Positionssensor zur Ermittlung einer Motorposition q̇AE des Elektromotors, einen Stromsensor zur Ermittlung eines Motorstroms IAE des Elektromotors sowie einen zwischen das Getriebe 110 und den Abtriebsstrang 102 geschalteten Drehmomentsensor zur Ermittlung des Drehmoments τAS im Abtriebsstrang 102. Die Messgrößen qAE, IAE und τAS werden der Steuereinheit 107 bereitgestellt.
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Der Parallelbackengreifer 100 weist weiterhin eine Schnittstelle 111 für elektrische Energie sowie Steuersignale einer externen Steuereinheit auf. Die Schnittstelle 111 ist durch zumindest eine Signalleitung 112 und zumindest eine elektrische Leitung 113 mit der Steuereinheit 107 verbunden. Die elektrische Leitung 113 versorgt den Robotergreifer mit elektrischer Energie.
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Wird der Parallelbackengreifer 100 beispielsweise als Effektor mit einem Manipulator eines Roboters verbunden, so werden über die Schnittstelle 111 beispielsweise Steuersignale einer zentralen Steuereinheit des Roboters sowie elektrische Energie für den Parallelbackengreifer 100 bereitgestellt.
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Die Steuereinheit 107 steuert/regelt den Elektromotor AS 101 auf Basis eines vorgegebenen Dynamikmodells des Robotergreifers, der gemessenen Sensordaten: qAE, τAS, IM und eines an einer Schnittstelle 111 des Robotergreifers bereitgestellten Sollwertes, wobei der Sollwert eine Soll-Position qSOLL oder eine Soll-Geschwindigkeit q̇SOLL oder eine Soll-Beschleunigung qSOLL oder ein Soll-Moment τSOLL des Elektromotors AS 101 oder des Abtriebsstrangs AS 103 vorgibt.
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Die Steuereinheit 107 ist weiterhin derart ausgeführt und eingerichtet, dass zur Steuerung/Regelung des Elektromotors AS 101 ein Störgrößenbeobachter, insbesondere ein Leistungsbeobachter oder ein Impulsbeobachter oder ein Geschwindigkeitsbeobachter oder ein Beschleunigungsbeobachter benutzt wird. Der Störgrößenbeobachter wird insbesondere zur Reibungskompensation und zur Verschleißkompensation des Systems: Elektromotor AE 101 - Getriebe 102 - Abtriebsstrang AS 103 benutzt. Weiterhin ist die Steuereinheit 107 derart ausgeführt und eingerichtet, dass in einem Regler der Steuereinheit eine Drehmomentrückführung erfolgt und durch die Drehmomentrückführung eine Skalierung einer Trägheit des Elektromotors AE 101 erfolgt.
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Vorteilhaft erfolgt die Drehmomentrückführung mit einem τ:
mit:
- τ:
- Soll-Moment an den Stromregler bzw. Ausgang aus einem „Fullstate-Feedbackregler“
- Kτ:
- Verstärkungsfaktor, Gain > 1
- τJd:
- Soll-Drehmoment
- τJ:
- Ist- Drehmoment
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Robotergreifer
- 101
- Elektromotor AE
- 102
- Getriebe
- 103
- Abtriebsstrang AS
- 104
- Sensoren
- 107
- Steuereinheit
- 111
- Schnittstelle
- 112
- Signalleitung
- 113
- elektrische Leitung zur Energieversorgung
