Baukasten für intelligente, sehende und fühlende Greifer ... · Der Greifer soll an markanten Stellen einen digitalen kapazitiven Weitbereichssensor in Folienform erhalten, welcher

Baukasten für intelligente,sehende und fühlendeGreifer im OTS Einsatz

Fraunhofer InstitutProduktionstechnik undAutomatisierung

IPA

Datum: 04.10.05 Ersteller: Fellhauer / Dr. MaschottaFolie 2Greifer für den OTS Einsatz

Baukasten für intelligente, sehendeund fühlende Greifer im OTS Einsatz

Marktführend im BereichGreifsysteme

Weltgrößter Anbieter im BereichDehnspanntechnik

Weltgrößter Anbieter vonSpannbacken

Automationsmodule

WerkzeughalterStationäreSpannsysteme

Spannbacken Drehfutter

1.200 MitarbeiterWeltweit vertreten4 Fertigungsstätten120 Mio € Umsatz

Einige Worte zu Fa. SCHUNK



Grundlagen der Greiftechnik

Greifertypen1) Zangen oder Backengreifer2) Mehr Gelenk - Fingergreifer3) Saug - Greifer4) Magnet - Greifer

Greifprinzipien1) Kraftschluss2) Formschluss

Greiferbackenführung1) Parallelgreifer2) Schwenkgreifer3) Mehrgelenkgreifer4) Sonstige Mechanismen

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Die häufigsten Kraftübertragung

Direkt Spindel

Kullise Zahnstange Hebel

Riemen, Baudenzüge oder Seile



Was sind die Funktionen / Aufgaben eines Greifers ?


Grundfunktionen eines GreifersGreifen

Innengreifen (Teil wird durch Öffnen der Finger gespannt.)Aussengreifen

Kraftschluss (Greifkraft und Reibwert sind entscheidend.)Krafterhaltung (Feder oder Sperrventile)

Formschluss (Nur die Position der Finger ist entscheidend.) Positionserhaltung (Bremse oder Selbsthemmung)

Positionieren (vorpositionieren, um Taktzeit zu sparen oder Störkanten zu umgehen)

ÜberwachungsfunktionenPositionsüberwachungKraftüberwachungUmgebungsüberwachung

ZusatzfunktionenVermessenOptische Funktionen



Greifertyp Hub[mm]

Zeit/Hub[sec]

Greifkraft[N]

Federsicherung[N]

Werkstückgewicht[Kg]

Eigengewicht[Kg]

MaxFingerlänge[m]

2 Fingerparallegreifer PGN50 8 0,02 140 70 0,7 0,17 642 Fingerparallegreifer PGN 300 70 0,5 6.000 3.000 30 14 3502 Fingerparallegreifer PFH 200 400 1 2.200 - 15 22 6002 Fingerparallegreifer MPG 20 4 0,03 28 - 0,14 0,038 203 Fingerzentrischgreifer PZN 200 50 1,2 18.000 4.000 35,5 15,7 250

PGN PZN

PFH

Grundlagen der GreiftechnikBeispiele aus der Praxis pneumatisch



Grundlagen der GreiftechnikBeispiele aus der Praxis elektrisch

Greifertyp Hub[mm]

Zeit/Hub[sec]

Greifkraft[N]

Max.Temp.[°C]

Werkstückgewicht[Kg]

Eigengewicht[Kg]

MaxFingerlänge[m]

2 Fingerparallegreifer EGN 100 24 0,2 600 100 6 0,9 1502 Fingerparallegreifer PT AP 70 70 1 200 45 2 1,4 1402 Fingerparallegreifer MPGE 50 16 1 120 60 1,2 0,7 503 Fingerparallegreifer EZN 64 20 0,2 400 100 4 0,8 1503 Fingerwinkelgreifer CDG 50 2,4 0,01 21 40 0,1 0,25 10

MEG 50 EGN 100 PT AP 70



Greifer für den OTS Einsatz

Personalbezogen•Einsatz des Greifers bei

•sicherer Abwesenheit von Personen

•sicherem Abstand zu Personen

•Übergabe von Werkstücken an den Greifer

•sicher freiem Greifraum

•Körperteilen im GreifraumGreifart bezogen

•Formschlüssiges GreifenPositionserhaltung verhindert den Verlust des Greifobjektes.Diese Modi ist bei Greifarbeiten über Kopf/Fuß von Menschen denkbar.Es kann mit sehr geringer Greifkraft gegriffen werden!

•Kraftschlüssiges GreifenDer Kontakt zwischen Greifer und Greifobjekt erfolgt im Kraftschluss -->Krafterhaltung verhindert den Verlust des Greifobjektes.Diese Modi ist bisher bei Greifern der häufigste!

Denkbare Szenarien




•Beladen des Greifers mit Werkstücken

•Führen des Roboters am Greifer (Greifer an die Hand nehmen = Teachen)

•Führen der Finger von Hand (Finger Positionieren = Teachen)

•Manipulieren am gegriffenem Werkstück (Roboter als Schraubstock)

•Gemeinsames Sortieren von Teilen durch Mensch und Roboter

•Eingreifen des Menschen in den Arbeitsraum von Roboter und Greifer

•Gemeinsames tragen von langen Bauteilen

•Führen des Menschen durch den Roboter ( Mensch an die Hand nehmen)

•Roboter als Hubbühne ( Mensch greifen und hochheben)

Spezielle Beispiele als Szenarien (extreme Beispiele in Kursiv)



Greifer für den OTS EinsatzGefährdete Körperteile

Wenn sich ein Mitarbeiter und eine Komponente des Greifers den Arbeitsraumteilen, sind die folgenden Körperteile gefährdet:

Hand, Arm, Bauch, Kopf

GefährdungsartDie folgenden Gefährdungsarten wurden identifiziert:• Quetschen• Stossen, z. B. durch Öffnen oder Schließen der Backen• Abreißen von Hand oder Arm durch Bewegung des Roboters oder

durch Bewegung der Greiferbacken

• Gefahren ausgehend von der Greiferform (Nadeln, scharfe Kanten)

• Thermischer Einfluss (Überhitzung eines Elektro-Modules)

• Loslassen des zu greifenden Teiles oder Abfallen defekter Bauteiledurch Fehlprogrammierung/Beschleunigung



Greifer für den OTS EinsatzSicherheitsbereiche aus Sicht eines Greifers

Für jeden der Bereiche sind definierte, systemabhängige Reaktionen zu erarbeiten. !!

Bereich 0 Kontakt mit den Finger des Greifers (Kapazitiv/DMS)

Bereich 1 Raum zwischen Finger (Kamera/ Kapazitiv)

Bereich 2 Kontakt mit dem Greifer (Kapazitiv/KraftMomentensensor)

Bereich 3 Nahumfeld des Greifers 50mm (Kamera /Kapazitiv)

Bereich 4 Fernumfeld des Greifers 500mm (Kamera/Sick-Sensor)




Daraus resultierende Aufgabenstellung für Greifer im OTS Einsatz

1. ‚Sichere‘ sensorische Abdeckung der Bereich

3. Kompakte Bauweise

4. Vertretbarer Preis oder : zusätzlicher wirtschaftlicher Nutzen der Sensorik

2. ‚Sicheres‘ Abschalten der Aktorik im Notfall, bei Erhaltung der Greiffunktion!

Die Punkte 1 & 2 stehen im Gegensatz zu den Punkten 3 & 4 !

Mit dem heutigen Stand der Technik dürfte es unmöglich sein,allen Aufgaben gerecht zu werden!



Greifer für den OTS EinsatzDer Lösungsansatz

Konzept :Alle Informationen werden mittels zweier unterschiedlicher physikalischen Effekte, mitzwei Sensoren getrennt erfaßt und getrennt zu einer sicheren Steuerung übertragen.Dort erfolgt eine Plausibilitätsprüfung

Alle Aktionen werden mittels eines Haupt-Aktor ausgeführt und können bei Gefahr oderPlausibilitätsabweichung in einer sicheren Steuerung, mittels eines sicheren Hilf -Aktor durch die sichere Steuerung gestoppt werden.

3. Keinen sicheren Greifer, sondern ein sicheres Robotersystem, inklusive Greifer !

2. Keine sichere Sensorik, sondern ausreichende Redundanz

1. Keine sichere Aktorik, aber eine sichere Stillegung und Positionserhaltung im Fehlerfall



Ein Ausführungsbeispiel der Fa. Schunk

Kraftmessung:Kraftmessfinger

Greifraumüberwachung:Integrierte Kamera - Optik

Kraftmessung:Strommesung vom

Servomotor

Positionserfassungmittels

Analogmeßsystems

Umgebungsüberwachung:Taktiler Hautsensor

und externe Kamera

Positionserfassungmittels Resolver

Greifraumüberwachung:AbstandsensorikKapazitive Sensorik




Greifkraftüberwachung:

Der Antrieb des Greifers ist ein BLDC Servomotor.--> die Greifkraft ist proportional zum Motorstrom

--> Indirekte Greifkraftmessung

Direkte Greifkraftmessung mittels eines neuen Messsystems : FMS

Die Auf die Finger einwirkende Kraft wirdmittels eins speziellen Fingeradapters direktgemessen. Auflösungen im Bereich von 1Nsind problemlos möglich !--> Jeder Kontakt wird sofort erkannt!

Hoher wirtschaftlicher Nutzen und kompakteBauweise bei hinreichender Sicherheit durchRedundanz wurde erreicht !




Positionsüberwachung:

Der Antriebstrang des Greifers enthält einen Resolver. --> die Motorumdrehungen sind proportional zur Fingerposition

--> Indirekte Messung der Fingerposition

Direkte Messung der Fingerposition mittels eines neuen Systems: APS

Die Position der Finger wird mittels einesDifferenzdrosselprinzips mit einer Genauigkeitvon wenigen µ erkannt.--> Jede Fingerbewegung wird sofort erkannt!

Hoher wirtschaftlicher Nutzen und kompakteBauweise bei hinreichender Sicherheit durchRedundanz wurde erreicht !




Umgebungsüberwachung:

Der Greifer soll an markanten Stellen einen digitalenkapazitiven Weitbereichssensor in Folienform erhalten,welcher sich der Umgebung anpasst, also nur auf unerwarteteVeränderung der Umgebung reagiert.Die Auswerteeinheit wird redundant ausgeführt und abgesetzt,z.B. am Roboterarm angebracht sein.

Mittels einer externen Kamera, welche den Roboter von oben imBlick behält, ist ein Plausibilitätsübehrwachung der kapazitivenSensoren zu erwarten. Die Prüfung müsste Zyklisch erfolgen, z.B.durch Annäherung des Sensors an eine Prüfstelle ....




Greifraumüberwachung:

Greifraumüberwachung mittels Optik und speziellen Greiferfingern

Die Greiferfinger sollen an markanten Stellen einen digitalen kapazitivenNahbereichssensor in Folienform erhalten, welcher sich derFingerposition anpasst, also nur auf unerwartete Veränderung derUmgebung reagiert.Die Auswerteeinheit wird redundant ausgeführt und abgesetzt, z.B. amRoboterarm angebracht sein.



Die Fa. Vision Control

Die Vision Control ist Hersteller von Komponenten für die industrielleBildverarbeitung seit 1990

VICOTAR ® PICTOR® VICOSYS® VICOLUX®

Objektive Bildverarbeitungssysteme Beleuchtungen


Baukasten für intelligente, sehendeund fühlende Greifer im OTS EinsatzDie Bildverarbeitungskomponenten

Der bildverarbeitende Teil des Baukastens besteht aus mechanischkompakten und aufeinander abgestimmten Komponenten

Ø digitale Kameras /Smartkameras zur Montage am/im Greifer

Ø Optiken und Filter

Ø LED-Beleuchtungen , Laser...

Ø Software zur Prozesssteuerung



Beispiele der Fa. Vision ControlGreifraumüberwachung mit Kamera/Smartkamera istnur sinnvoll mit zusätzlichem wirtschaftlichen Nutzen

•Sicherheitstechnischer Aspekt:

Ø ‚optische‘ Rückmeldungen : „wirklich gegriffen"„Greifraum frei“

(Kombination mit Informationen der Kraftmesseinrichtung / kapazitivem Sensor)

•Zusätzlicher Nutzen:

Ø Ermittlung der Greifposition während des Greifvorganges (Prozesszeit)

Ø mittig greifen (Belastung des Greifers) Ø Qualitätssicherung (Mess-und Prüfaufgaben)



Beispiel für Greifraumüberwachung

USB2.0-Kamera undLED Auflichtbeleuchtung

Kraft-Sensoren

Linienlaser im Greiferfingermit Strahlumlenkung

ProduktangepassteGreiffinger



Beispiel für Greifraumüberwachung

Kamera und LED-Beleuchtung

zwischen den Greiferfingern

Die Greiferfinger besitzen an der Innenseite einMuster, dass im Normalfall nicht gestört ist.

Ein Objekt im Greifraum stört das Muster

Die Bildverarbeitung erkennt die Störung des Musters

Überwachung des Raumes zwischen den Greiferfingern



Beispiele der Fa. Vision Control

Überwachung des Nahumfeldes vor den Greiferfingern mit Laserlinie

Die Laserlinie wird erst dann im Bildfeldsichtbar, wenn sich ein Objekt in einemdefinierten Abständen vor dem Greiferfingerbefindet.

Die Form der Laserlinie hängt vom Objekt ab


Baukasten für intelligente, sehendeund fühlende Greifer im OTS EinsatzBeleuchtung und Fremdlichteinfluß

Kamerabild bei direkter Einstrahlung mit Halogenlicht links ohne Filter, rechts mit angepasstem Filter

Beleuchtung und Fremdlicht beeinflussen die Erkennungssicherheit

Beleuchtung des Objekts mit blauer LED-Beleuchtung links ohne Filter, rechts mit angepasstem Filter


Baukasten für intelligente, sehendeund fühlende Greifer im OTS EinsatzBildverarbeitungsbaugruppen

USB2.0 Smartkamera mit FPGA

(25mmx25mmx50mm)Smart-Kamera mit DSP

(43mmx 43mm x 45mm) ASIC:Smartkamera on Chip

(Chip im Testgehäuse)

OEM-Bildverarbeitungsbaugruppen für Greiferkameras



Greifraumüberwachung mit Kamera

Digitale Kamera/Smartkamera zwischenden Greiferfingern

Bildverarbeitung als zusätzliche Sensorik erhöht die Sicherheit(Redundanz)

Greiferfinger

Fingerkraft-sensoren

Koppel- bzw.Wechselmodul

KMS-Modul

Flächensensormodul („Haut“)

Fingerpositionssensor

Smartkamera und Beleuchtung

am Greifer oder Roboter

Greiferantrieb



Vielen Dank

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