Robotergreifer Mit drei Fingern alles im Griff

Flexible 3-Finger-Hand mit nur zwei elektrischen Aktoren reagiert auf sich ändernde Objektgeometrien.

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Verkürzte Produktlebenszyklen und steigende Variantenvielfalt stellen immer höhere Anforderungen an die Handhabungstechnik. Besonders im Hinblick auf den Umrüst- und Engineeringaufwand ist eine flexible Automatisierung, die eine schnelle Umrüstung auf die momentan zu produzierenden Produkte erlaubt, wünschenswert. Dieser Beitrag befasst sich mit dem Aspekt des flexiblen Greifens von Geometrievarianten, das heißt in Form und Größe unterschiedlichen Objekten, wie sie in der Fertigung variantenreicher Produkte oder im Handel häufig vorkommen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung eines flexiblen Low-cost-Greifers, der so genannten IPA-Hand.Industrielle Greifer sind in vielen Bereichen der Technik meist in Verbindung mit Handhabungsaufgaben anzutreffen. Neben mechanischen Greifern, die meist als Zwei- oder Dreibackengreifer ausgeführt werden, kommen auch häufig Vakuumgreifer zum Einsatz. Die Aufgaben künstlicher Hände sind neben dem eigentlichen Greifen und Sichern von Objekten auch die interne Manipulation des Objektes, das heißt die Änderung von Position und Orientierung innerhalb des Greifraumes der Hand. Prinzipiell existieren zwei grundlegende Bauarten von künstlichen Händen: die integrierte und die modulare Bauweise.Bei der modularen Bauweise sind alle für die Fingerbewegungen benötigten Aktoren in der Hand und in den Fingern untergebracht. Somit ist die Hand an beliebige Manipulatoren oder Handhabungskinematiken adaptierbar. Ein weiteres Merkmal ist, dass diese Hände aufgrund der Baugröße der Komponenten meist deutlich größer sind als die menschliche Hand.Bei der integrierten Bauweise werden die Aktoren in eine Armkinematik integriert, das heißt aus dem Gehäuse der Hand ausgelagert. Die Kraftübertragung geschieht meist mit Seilzügen oder Gestängen. Solche Hände haben oft in Größe und Form große Ähnlichkeit mit der menschlichen Hand. Der Betrieb der Hand kann allerdings nur in Verbindung mit einer entsprechenden Armkinematik erfolgen. Künstliche Hände verfügen über neun oder mehr Freiheitsgrade, was zu einer hohen mechanischen und steuerungstechnischen Komplexität der Hand führt. Standardgreifer besitzen aufgrund der kleinen Anzahl an Freiheitsgraden (meist nur einen) keine ausreichende Flexibilität gegenüber sich ändernden Objektgeometrien. Künstliche Hände sind aufgrund ihrer hohen Anzahl an Freiheitsgraden (zwischen neun und 22) sehr komplex, was zu einer Vielzahl an Komponenten führt. Da-raus resultiert, dass diese künstlichen Hände nach dem Stand der Technik oft nicht wirtschaftlich einsetzbar sind.Das Grobkonzept der IPA-Hand besteht aus der Kombination des 3-Finger-Parallelgriffes, des 3-Finger-Zentrischgriffes sowie des 2-Finger-Griffes. Diese drei grundlegenden Greifmöglichkeiten werden bisher einzeln in kommerziellen und industrietauglichen Greifern umgesetzt. Weiterhin sollen diese mit nur zwei elektrischen Antrieben realisiert werden, um dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit Rechnung zu tragen.Der Daumen kann in zwei Positionen verfahren werden. In der in Bild 1 dargestellten Stellung opponiert der Daumen dem Finger 1. In dieser Stellung wird der 2-Finger-Griff ausgeführt. Steht der Daumen in der Mittelposition kann der 3-Finger-Parallel- und der 3-Finger-Zentrischgriff ausgeführt werden. Während der Greifbewegung steht der Daumen fest und bewegt sich nicht in Richtung Greifobjekt. Das Grobkonzept sieht vor, dass die Funktionen „Daumen verstellen“ und „Finger drehen“ jeweils mit einer der Greifbewegungen der Finger gekoppelt werden sollen.Die Kinematik der IPA-Hand kann die Finger in den drei Grundgriffen 2-Finger-Griff, 3-Finger-Parallelgriff und 3-Finger-Zentrischgriff konfigurieren. Um den Ansprüchen bezüglich Wirtschaftlichkeit und niedriger steuerungstechnischer Komplexität gerecht zu werden, verfügt die Handkinematik lediglich über zwei elektrische Antriebe. Dies wird durch ein Getriebe erreicht, das pro Finger zwei Bewegungen ermöglicht: ein Öffnen und Schließen des Fingers in Richtung der Greifkraft und ein Verdrehen des Fingers um seine Hochachse. Wesentlicher Teil der IPA-Hand ist das Getriebe, welches die Finger mit den Antrieben koppelt. Die einzelnen Komponenten der Handkinematik sind in Bild 3 dargestellt.Kegelradgetriebe verbindet die Finger mit dem MotorJeder der beiden Finger ist durch ein Kegelradgetriebe mit dem Motor verbunden. Das Kegelradgetriebe ermöglicht jedem Finger in beliebiger Verdrehung um seine Hochachse eine Schließbewegung auszuführen. Jeder Finger ist also um seine Hochachse drehbar gelagert. Die Schließbewegung des Fingers ist durch Anschläge auf der Lagerung begrenzt. Stößt zum Beispiel Finger 1 gegen seine Begrenzung, so führt er eine Drehung um seine Hochachse aus. Beim Öffnen entsprechend eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn, beim Schließen eine Drehung im Uhrzeigersinn.Die beschriebene Lagerung der Finger führt dazu, dass beim Greifen eines Objektes die Greifkraft in eine rotatorische Bewegung umgesetzt wird. Um dies zu verhindern, muss jeder Finger bei der Greifbewegung arretiert werden. In der umgesetzten Gesamtsystemvariante geschieht dies durch Kupplungen, die über Exzenter angesteuert werden. Die Exzenter befinden sich an der Fingerbasis. Sie betätigen in den beiden Endlagen der Greifbewegung eine Kupplung.Die Kupplung des Fingers 1 bewirkt die beschriebene Arretierung. Die Kupplung des Fingers 2 stellt die Verbindung zum Daumenabtrieb her. Wird diese Kupplung betätigt ] das heißt Finger 2 befindet sich in der hinteren Endlage ] und über Finger 1 eine Rotation der Finger eingeleitet, verschiebt sich der Daumen in seine jeweils andere Position. Um die Flexibilität der Hand weiter zu erhöhen und dabei auf weitere Aktoren zu verzichten, kann eine selbstadaptive Fingerkinematik eingesetzt werden. Diese besteht aus einzelnen Gliedern, die dreiecksförmig angeordnet sind und jeweils eine Querstrebe besitzen. In die einzelnen Glieder sind Drehfedern integriert, die für eine Rückstellung des Fingers sorgen.Je nach der Position der Krafteinleitung in die Kinematik schmiegt sich diese an das zu greifende Objekt an und erzeugt so eine größere Anzahl von Kontaktpunkten (Bild 4) gegenüber einem starren Finger. Die Erhöhung der Kontaktpunkte führt wiederum zur Erhöhung des Reibschlusses zwischen Finger und Objekt, was zu einem sichereren Griff führt. Die Parameter der selbstadaptiven Fingerkinematik sind die Anzahl der Glieder, die Länge der Kinematik und der Abstand an der Fingerbasis. Durch geeignete Wahl der Parameter kann die Kinematik hinsichtlich einer Klasse von Objekten optimiert werden.Die Steuerung basiert auf einem 1-Chip-PC, einem 80x86-kompatiblem Rechner. Der Chip wurde auf einem Board mit Treibern und verschiedener Peripherie integriert. Dieses Board mit der Bezeichnung Devi-Lan verfügt über einen Ethernet-Stack, der eine Ansteuerung über ein Netzwerk ermöglicht. Bei den eingesetzten Antrieben handelt es sich um bürstenlose Gleichstromantriebe, die über einen Motioncontroller betrieben werden. Verschiedene Endschalter sowie ein Positionsgeber für die Drehung der Finger um die Hochachse erfassen die Systemzustände der Handkinematik.Fingerkonfigurationen sind einfach ansteuerbarDie Steuerung ist so programmiert, dass die drei Fingerkonfigurationen aus der Grundstellung, dem 3-Finger-Parallelgriff, in die anderen Griffe mit nur wenigen Befehlen ansteuerbar sind. Somit ist es möglich, mit einfachen Befehlen die drei Grundgriffarten zu steuern. Hinzu kommt lediglich ein Befehl zum Schließen und Öffnen des Greifers. Beim Öffnen sind zwei Modi denkbar.Eine Möglichkeit ist ein kraftgesteuerter Betrieb. Dafür müssen Kraftsensoren in mindestens einen der Finger integriert werden. Wird eine taktile Sensorhaut verwendet, die die Kräfte nicht nur betragsmäßig, sondern auch ortsauflösend liefert, sind sehr feinfühlige Griffe möglich. Werden Kraftsensoren an der Fingerbasis integriert, misst man schließlich ein Drehmoment. Kennt man den Angriffspunkt der Kraft nicht, kann man keine Rückschlüsse auf die auf das Greifobjekt wirkende Kraft ziehen.Die andere Möglichkeit ist ein positionsgesteuerter Betrieb. Diese Betriebsart wurde in der umgesetzten Gesamtsystemvariante implementiert. Für diesen Modus ist aber das Wissen über die Objektgeometrie notwendig. Diese Daten können dann zum Beispiel mit Hilfe eines Bildverarbeitungssystems ermittelt werden.Ziel der Arbeiten war es, einen flexiblen Low-cost-Greifer zu entwickeln. Ergebnis ist eine flexible 3-Finger-Hand mit nur zwei elektrischen Aktoren für vier Freiheitsgrade. Mit dieser Kinematik ist es möglich, auf sich ändernde Objektgeometrien zu reagieren. In Kombination mit einer dezentralen Steuereinheit ist eine einfache Integration in Robotersysteme problemlos möglich. Versuche mit der IPA-Hand haben nachgewiesen, dass mit diesem Ansatz das Greifen geometrievarianter Objekte möglich ist. Die Zuverlässigkeit des Demonstrators ist mit industriellen Greifern vergleichbar. Die Entwicklungen verfügen über das notwendige Potenzial, um in folgenden Anwendungsgebieten nutzbringend eingesetzt zu werden:

• in der Handhabungstechnik, insbesondere beim Zuführen und Entnehmen von Bauteilen aus Fertigungsanlagen unterschiedlicher Branchen,
• beim automatischen Kommissionieren von Ware im Handel,
• bei Anwendungen in der Servicerobotik, zum Beispiel für Hol- und Bringdienste an mobilen Haushaltsrobotern,
• als Assistenzsysteme (dritte Hand für den Werker) im industriellen Umfeld.