AT401633B - Sensorgestütztes roboter-greifersystem nach dem tentakelprinzip - Google Patents

Description

AT 401 633 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- und ferngesteuerte Roboter zum Erfassen, Greifen und Halten von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt. Beschaffenheit. Position und Raumlage, wobei der Greifvorgang durch ein Umschlingen des Gegenstandes und durch Anschmiegen von Greiferteilen des mehrgliedrigen Greifermechanismus an 5 Gegenstandsteile erfolgt. Die Kinematik des Greifermechanismus ist dabei durch eine hohe Zahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden gekennzeichnet, die eine durch Aktuatoren eingeleitete flexible Anpassung der Greifergestalt an die Gestalt des Gegenstandes ermöglicht. Dabei dienen Sensoren an der Greiferoberfläche, beispielsweise in Nähe der Gelenke des Greifermechanismus zur Erfassung von Kontaktkräften bei der Berührung und Umschlingung des zu greifenden Gegenstandes. Die Sensorsignale werden io verstärkt, digitalisiert und einem Rechenwerk, beispielsweise Digitalcomputer zugeführt, wo sie nach digitaler Verarbeitung in einem Regelalgorithmus zur Ansteuerung der Aktuatoren des mehrgliedrigen Greifermechanismus dienen. Für den Regelalgorithmus kommen lineare und nichtlineare Verfahren, vorteilhafterweise jedoch an sich bekannte Elemente wie Neuronale Netze und Fuzzy Algorithmen zum Einsatz.

Das Verfahren zur regelungstechnischen Auswertung der Sensorsignale im Rechenwerk sowie die 15 Regelung und Ansteuerung der Greifermotoren ermöglichen einen Greifvorgang ohne vorherige Kenntnis der genauen Gegenstandsposition, Gegenstandslage, Gegenstandsgestalt und Gegenstandsbeschaffenheit, indem die Sensorsignale selbst dazu herangezogen werden, die Lagen- und Gestalteigenschaften des Gegenstandes wahrend des Greifvorganges zu ermitteln. Die Greifreaktion wird durch die gerätetechnische Nachbildung eines bedingten Reflexes ausgelöst, wobei die in den Sensorsignalen durch Ort und Zeitpunkt 20 der Gegenstandsberührung sowie beispielsweise die in der Größe der aufgenommenen Kontaktkräfte vorhandene Information zur Optimierung des Greifvorganges hinsichtlich Greif Position, Greifgeschwindigkeit und Greifkraft herangezogen wird. Es wird insoweit auf die Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bis 7 verwiesen.

Bekannt sind Greifersysteme, die zum Erfassen des Gegenstandes beispielsweise greifzangenähnliche 25 Vorrichtungen, Unterdruck-Saugsysteme oder mit dem Gegenstand formschiußbildende Paßflächen aufweisen.

In DE 4 109 724 A wird beispielsweise ein Greifwerkzeug zur Aufnahme von ungeordnet in Behältern liegenden Werkstücken beschrieben, welches in einer alternativen Ausführungsform mit Tentakeln aus biegeschlaffem und längselastischem Schlauch bestückt ist. Diese Tentakel werden passiv vom dem 30 Greifwerkzeug mitgeführt und nicht artikuliert bewegt. Es kann daher keine durch geregelte Aktuatoren eingeieitete flexible Anpassung der Greifergestalt an die Gestalt des Gegenstandes bewirkt werden, wie dies bei der erfindungsgemäßen Einrichtung der Fall ist.

Bekannt sind weiters aus US 4 723 353 A auswechselbare; multifunktionale Endeffektor-Werkzeuge, ausgerüstet mit Saugnäpfen, welche jedoch nicht wie bei der erfindungsgemäßen Einrichtung von einem 35 mehrgliedrigen Mechanismus getragen werden, der im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade eine hohe Anzahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden aufweist. Es kann durch die vorgestellte Einrichtung kein Umschlingen des Werkstückes durch einen regeltechnisch realisierten Greifreflex bewirkt werden.

In FR 2 354 861 A wird ein mehrgliedriger Greifermechanismus beschrieben. Seine Elemente werden jo nicht wie in der erfindungsgemäßen Einrichtung im Sinne eines sensorüberwachten, regeltechnisch realisierten Greifreflexes bewegt.

Bekannt sind weiters aus SU 1 240 578 A klammerförmige Greifer mit Mehrementfingern, welche den Greifvorgang in hohlen Werkstücken erleichtern. Im Gegensatz zur erfindungsgemässen Einrichtung werden diese Mehrelementfinger nicht im Sinne eines sensorüberwachten, regeltechnisch realisierten Greifreflexes 45 bewegt.

In EP 402 849 A werden Robot-Manipulatoren beschrieben, deren Bewegungsverlauf mittels Fuzzy Algorithmen kontrolliert wird. Dort dienen die regeibasierten Elemente der Fuzzy-Regelung zur Umgehung des invers-kinematischen Problems, und nicht wie im erfindungsgemässen Verfahren zur Erzielung eines regeltechnisch nachgebildeten Greifreflexes. so Es sind weiters unterschiedliche Ausführungsformen von Fuzzy-Logik-Schaltkreisenbekannt. beispielsweise US 5 046 019 A und GB 2 252 426 A. Im ersten Beispiel wird die Defuzzifizierung durch neuronale Netzwerke bewerkstelligt. Im zweiten Beispiel berechnet ein Rechenwerk bestehend aus einem Fuzzv-Regier die Zugehörigkeitsfunktion zufolge des Regelwertes der Strecke mittels Inferenz, und bestimmt die Steuergröße aus der Zugehörigkeitsfunktion. Im Gegensatz zum erfindungsgemässen Verfahren dienen 55 diese Regler nicht zur Erzielung eines Greifreflexes, legen daher die gegenständliche Erfindung nicht nahe.

Die bisherigen Verfahren und Vorrichtungen setzen eine Positionierung des Greifersystems unter Berücksichtigung von zumindest angenäherter Übereinstimmung mit der Gegenstandspositon und Gegenstandslage voraus, wobei die Position und Lage des Gegenstandes zumindest annähernd bekannt sein 2

AT 401 633 B muß. Die Zahl der kinematischen Achs-Freiheitsgrade der bekannten Greifersysteme liegt in der Größenordnung der räumlichen Freiheitsgrade oder darunter, so daß eine durch Aktuatoren eingeleitete flexible gestaltmäßige Anpassung der äußeren Gestalt des Greifersystems an die Gegenstandsgestalt nicht möglich ist.

Bekannt sind weiters Greifersysteme, die mit taktilen Sensoren ausgestattet sind, um durch Berüh-rungs- und Kraftinformation aus der Wechselwirkung mit dem Gegenstand Informationen zur Ansteuerung der Greiferaktuatoren zu gewinnen. Die Sensoren dienen dabei jedoch beispielsweise lediglich der Erfassung der Anpreßkräfte und des Rutschverhaltens zwischen Greifer und Gegenstand, die Sensorsignale werden nicht zur gerätetechnischen Nachbildung eines bedingten Greifreflexes herangezogen, wie dies beim erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- oder ferngesteuerte Roboter zu schaffen, welche das Erfassen und Greifen von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt, Beschaffenheit, Position und Raumlage ermöglicht, wobei der Greifvorgang selbst durch Sensoren an der Greifersystemoberfläche und einem angeschlossenen Rechenwerk eingeleitet und derartig gesteuert wird, daß ein gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex bewirkt wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

Einrichtung für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- und ferngesteuerte Roboter zum Erfassen, Greifen und Halten von Gegenständen mit nicht im Detail bekannter Gestalt, Beschaffenheit, Position und Raumlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifvorgang durch ein Umschlingen des Gegenstandes und durch Anschmiegen von Greiferteilen des mehrgliedrigen, im Sinne eine künstlichen Greifreflexes geregelten Greifermechanismus an den zu greifenden Gegenstand oder Gegenstandsteile erfolgt.

Die Kinematik des Greifermechanismus besitzt eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden, um ein Umschlingen des Gegenstandes sowie Gegenstandsteile und ein Anschmiegen an die Gegenstandoberfläche zu ermöglichen. Eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von Sensoren messen die Berührung mit der Gegenstandsoberfläche über an sich bekannte Verfahren wie beispielsweise Beschleunigungsmessung, Kraftmessung und Körperschallmessung. Die Sensorsignale werden nach Aufbereitung und Digitalisierung einem Rechenwerk zugeführt, Die Ansteuerung der Aktuatoren erfolgt durch Steuersignale, welche durch Abarbeitung eines im Rechenwerk ausgeführten Algorithmus aus den Sensorsignalen gewonnen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen und Greifen von Gegenständen mit gerätetechnisch nachgebildtetem Greifreflex ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Der zur Steuerung des Greifvorganges ausgeführte Regelalgorithmus bewirkt nach einem schrittweisen Suchverfahren unter Miteinbeziehung der Sensorinformationen mit an sich bekannten Optimierungskriterien ein Umschlingen des Gegenstandes oder Gegenstandsteile, sowie ein Anschmiegen des Greifermechanismus (1,2,3,4,5 und 7) an die Gegenstandsoberfläche. Damit wird ein gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex ausgeübt. Die Verfahrensschritte sind im Einzelnen: - Das Greifersystem wird mittels seiner Aktuatoren in eine neutrale Ausgangslage versetzt. - Durch Überstreichen des Raumes, in welchem sich der zu greifende Gegenstand befindet, wird durch den ersten Berührungskontakt zwischen Gegenstand und Greifersensoren der Greifvorgang eingeleitet (gerätetechnisch nachgebildeter Greifreflex) - In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch raumüberstreichende Bewegungen der Greiferglieder zufällige weitere Gegenstands-Sensorkontakte bewirkt, wobei bei jeder Berührung die Raumkoordinaten des Gegenstandspunktes gespeichert werden, um später als Hilfsinformation zur angenäherten Erfassung der Gegenstandsraumlage zu dienen. Die Koordinaten der Berührungspunkte können aus der jederzeit bekannten Lage der Greiferglieder mit Hilfe des Rechenwerkes bestimmt werden. - Die Greiferglieder werden, gesteuert durch das Rechenwerk, in jene Richtung bewegt, in der sich die Anzahl der Sensorberührungen erhöht. Dieser Prozeß wird in Form eines schrittweisen Suchverfahrens mit an sich bekannten Optimierungskriterien durchgeführt, und bewirkt ein Umschlingen des Gegenstandes und ein Anschmiegen der Greiferstruktur an die Gegenstandsoberfläche. Das Suchverfahren wird durch vorher bestimmte Gegenstands-Hilfspunkte unterstützt. - Das Suchverfahren wird abgebrochen, wenn sich der Gegenstand im ausreichend festen Griff des Greifersystems befindet. Dieser Zustand wird vom Rechenwerk aus den Sensorsignalen ermittelt. Für den Regelalgorithmus werden an sich bekannte lineare oder nichtlineare Verfahren eingesetzt, vorteilhafterweise jedoch Elemente wie Neuronale Netze und Fuzzy Algorithmen.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen, Halten und Greifen von Gegenständen werden anhand von 3

Claims (7)

1. AT 401 633 B Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig.1(a bis d) Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung anhand von vier vorteilhaften Ausführungsformen zum Erfassen, Greifen und Halten von Gegenständen, Fig.2 Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Einrichtung mit Kennzeichnung einer beispielhaften Sensoranordnung und Fig.3 Ein Blockschaltbild zur Verarbeitung der Sensorsignale in einem Rechenwerk und zur Ansteuerung der Aktuatoren. Die in Fig.1 (a bis d) dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung dienen zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Einrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Basis (5) des Greifermechanismus ist beispielweise im Arbeitsraum fixiert, oder an einem Roboter montiert. Der aus den Gliedern (7) mittels Gelenken (JO, J1, J2, 1, 2, 3 und 4) zusammengesetzte Greifermechanismus wird von Aktuatoren (19) bewegt, welche sich in den Ausführungsbeispielen im Bereich der Gelenke (JO, J1, J2 ,1, 2, 3 und 4) befinden. In Fig.2 sind beispielsweise drei aktuelle Winkel des Mechanismus mit phi, al und b1 bezeichnet. Durch Ansteuerung der Aktuatoren (19), die sich beispielsweise im Bereich der Gelenke (1, 2, 3 und 4) befinden, können diese Winkel verändert werden. Die ebenfalls im Bereich der Gelenke und an der Oberfläche des Mechanismus befindlichen Sensoren (11) dienen zur Erfassung einer Gegenstandsberührung. Die Elemente der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verarbeitung der Sensor- und Aktuatorsignale sind in Fig.3 dargestellt. Dabei stellen dar: (11) Sensoren, (12) Signal Verstärker und Filter, (13) Analog-Digitalwandler, (14) Multiplexer, (15) Rechenwerk, (16) Demultiplexer, (17) Digital-Analogwandler, (18) Filter, Verstärker und Aktuatoransteuerung und (19) Aktuatoren. Die Aktuatoren (19) arbeiten nach an sich bekannten Verfahren, beispielsweise elektromechanisch, piezoelektrisch, als Gleich- oder Wechselstrommotor oder hydraulisch. Patentansprüche 1. Einrichtung für Handhabungsgeräte, insbesondere für selbst- und ferngesteuerte Roboter zum erfassen, greifen und halten von Gegenständen (6) mit nicht im Detail bekannter Gestalt, Beschaffenheit, Position und Raumlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Greifvorgang durch ein Umschlingen des Gegenstandes (6) und durch Anschmiegen von Greiferteilen (2,3,4,7 und 11) des mehrgliedrigen, im Sinne eines Greifreflexes geregelten Greifermechanismus (1,2,3,4,5 und 7) an den zu greifenden Gegenstand (6) oder Gegenstandsteile erfolgt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kinematik des Greifermechanismus (1,2,3,4,5 und 7) eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von kinematischen Achs-Freiheitsgraden aufweist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine im Vergleich zur Anzahl der räumlichen Freiheitsgrade hohe Anzahl von Sensoren (11) an der Oberfläche des Greifermechanismus (1,2,3.4,5 und 7) angebracht sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (11) durch Erfassung von physikalischen Größen, beispielsweise Kraft, Beschleunigung oder Körperschall nach an sich bekannten Verfahren die Berührung mit einem Gegenstand (6) oder Gegenstandsteil durch Abgabe einer skalare Signalgröße erfassen.
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der Sensoren (11) nach Signalaufbereitung durch Verstärkung (12), Digitalwandlung (13) und Multiplexen (14) durch an sich bekannte Einrichtungen einem Rechenwerk (15), vorzugsweise Digitalcomputer, zugeführt werden.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk (15) durch Ausführung eines Regelalgorithmus aus den aufbereiteten Sensorsignalen Steuersignale erzeugt, die nach Demultiplexen (16), Analogwandlung (17) und Verstärkung (18) durch an sich bekannte Einrichtungen zur Ansteuerung von bekannten Aktuatoren (19) des Greifermechanismus (1.2.3,4,5 und 7) herangezogen werden.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Steuerung des Greifvorganges ausgeführte Regelalgorithmus nach einem schrittweisen Suchverfahren unter Miteinbeziehung der Sensorinformationen mit an sich bekannten Optimierungskriterien ein Umschlingen des Gegenstandes (6) oder Gegenstandsteile sowie ein Anschmiegen des Greifermechanismus (1,2,3,4,5 4 5 io 15 20 25 30 35 ~0 45 50 AT 401 633 3 und 7) an die Gegenstandsoberfläche bewirkt, und damit einen gerätetechnisch nachgebildeten Greifreflex ausübt. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5 55