Schraubengreifer imitiert zwei

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Forscher haben einen Roboter-Endeffektor entwickelt, der eine Schraube aufnehmen, festhalten und eintreiben kann. Foto mit freundlicher Genehmigung des Korea Institute of Industrial Technology

Der Schraubteil des Endeffektors ist so konzipiert, dass er mithilfe einer flexiblen Verbindungsstruktur eine konstante Kontaktkraft ohne Kraftsensor aufbringt. Foto mit freundlicher Genehmigung des Korea Institute of Industrial Technology

Um ihren robotergestützten Schraub-Endeffektor zu testen, entwickelten die Forscher eine Roboterzelle, um einen Holzstuhl zusammenzubauen. Die Zelle ist mit drei Cobots ausgestattet. Zwei Cobots, ausgestattet mit Standardgreifern, halten Teile des Stuhls an Ort und Stelle, während der dritte Cobot, ausgestattet mit dem Schraub-Endeffektor, Schrauben montiert. Foto mit freundlicher Genehmigung des Korea Institute of Industrial Technology

Das Einsetzen erfolgt in fünf Schritten: Position und Größe der Schraube oder des Dübels mithilfe der Bildverarbeitung bestimmen; Fassen Sie das Teil an. Richten Sie das Teil am Schraubendreherbit oder der Einführspitze aus. Richten Sie das Teil am Loch aus. und die Schraube eindrehen bzw. den Dübel eindrücken. Foto mit freundlicher Genehmigung des Korea Institute of Industrial Technology

Auf beiden Seiten des Schraubfingers ist ein flexibles Gelenk angebracht. Seine Form macht es zu einem nachgiebigen Element. Die flexible Verbindung ermöglicht es dem Fahrer, die Kontaktkraft ohne einen präzisen Kraftregler aufrechtzuerhalten. Foto mit freundlicher Genehmigung des Korea Institute of Industrial Technology

Um eine Montageaufgabe zu automatisieren, die zwei Hände erfordert, haben Ingenieure zwei Möglichkeiten: einen Roboter mit Werkzeugwechsler oder zwei Roboter. Nun könnte es bald eine dritte Option geben. Wir haben ein einziges End-of-Arm-Werkzeug entwickelt, das ein Teil, beispielsweise einen Dübel oder eine lange Schraube, gleichzeitig an Ort und Stelle halten und gleichzeitig installieren kann.

Die Möbelmontage ist ein gutes Beispiel für eine Anwendung, die von einem solchen Endeffektor profitieren könnte. Betrachten Sie den Prozess des Zusammenbaus eines typischen Stuhls von IKEA. Bei vielen Schritten muss ein Teil, beispielsweise ein Bein, festgehalten werden, während ein anderes Teil, beispielsweise ein Stift oder eine Schraube, eingesetzt wird. Es wäre erheblich ineffizient, jeden Montageschritt mit mehreren Robotern zu automatisieren.

Standardmäßigen Greifern mit zwei oder drei Fingern fehlen die Freiheitsgrade oder die Kontrolle, um alle drei Aufgaben auszuführen – eine Schraube aufzunehmen, an Ort und Stelle zu halten und einzudrehen.

In mehreren Studien wurde der Einsatz eines anthropomorphen Greifers für solche Aufgaben untersucht. Durch die Gelenkkonfiguration ähnlich der menschlichen Hand verfügen diese Greifer über ein hohes Maß an Freiheit und Vielseitigkeit. Eine Studie zeigte, dass ein solcher Greifer zum Drehen eines Innensechskantschlüssels verwendet werden konnte – vorausgesetzt, das Werkzeug war bereits mit dem Befestigungselement im Eingriff. Der Greifer konnte nicht den gesamten Schraubvorgang durchführen.

Wir haben einen Roboter-Schraubgreifer entwickelt, der die zweihändige Montage durch eine Person nachahmt.

Um kleine Objekte zu manipulieren, verwenden Menschen einen Quetschgriff. Für große Objekte oder Objekte, die große Kraft erfordern, verwenden sie einen Kraftgriff. Beim Kneifen ist die Handhabung per Hand unerlässlich. Im Gegensatz dazu wird bei einem Kraftgriff die Drehung oder Richtungsänderung mithilfe der Handgelenke oder Arme durchgeführt, da die Freiheitsgrade der Finger eingeschränkt sind. Um eine Schraube einzudrehen, drückt eine Person die Schraube mit zwei oder drei Fingern zusammen, um sie mit dem Schraubendreher und dem Loch auszurichten. Dann treibt er mit der anderen Hand mithilfe eines Kraftgriffs die Schraube mit einem Werkzeug an.

Unser Schraubgreifer übernimmt beide Funktionen gleichzeitig. Ein einzelner Endeffektor ist in zwei Teile unterteilt: einen zum Erfassen der Schraube und einen anderen zum Antreiben der Schraube.

Der Greifteil kann Gegenstände wie Schrauben und Dübel greifen. Es besteht aus zwei Fingern und einer Gelenkkonfiguration aus Roll-Gier-Pitch-Pick. Das Giergelenk übernimmt die Rolle der Pronation und Supination des menschlichen Handgelenks. Das Rollgelenk ermöglicht sowohl Kneif- als auch Hebebewegungen. Die Fingerspitzen verfügen über eine V-förmige Nut zur Handhabung kleiner zylindrischer Gegenstände, wie z. B. Schrauben. Die Nut hilft dabei, die Schraube ohne zusätzliche Manipulation in vertikaler Richtung auszurichten. Es verhindert auch ein Abrutschen der Schraube.

Um eine Schraube einzudrehen, greift eine Person ein Werkzeug und dreht es mit ihrem Handgelenk oder Arm. Gleichzeitig drückt er mit so viel Kraft auf das Befestigungselement, dass sich das Werkzeug nicht vom Schraubenkopf löst. Der Schraubteil unseres Endeffektors übernimmt diese Aufgabe mithilfe eines Fingers, eines Schraubmotors und einer flexiblen Verbindung.

Damit ein Roboter eine Schraube einbauen kann, müssen Schraubendreher und Befestigungselement ausgerichtet sein und das Werkzeug muss eine konstante Abwärtskraft ausüben. Die Robotersteuerung allein kann den Abstand zwischen Schraubenkopf und Schraubendreher nicht einhalten. Das ist schlimm, denn ein Fehler kann zur Beschädigung der Baugruppe oder des Greifers führen. Der Schraubteil unseres Endeffektors ist so konzipiert, dass er mithilfe einer flexiblen Verbindungsstruktur eine konstante Kontaktkraft ohne Kraftsensor aufbringt.

Der Schraubfinger befindet sich oben am Greifer und besteht aus einer Roll-Pitch-Pitch-Gelenkkonfiguration mit drei Freiheitsgraden. Zwei der Verbindungen sind starr. Das letzte mit dem Schraubmotor verbundene Glied ist flexibel. Das Rollgelenk verhindert, dass die Schraube durch Links- und Rechtsdrehung festsitzt. Außerdem wird der Schraubfinger um 180 Grad gedreht, um die Verwendung der Einsatzspitze zu ermöglichen.

Der Schraubmotor kann mit einem Bit zum Eindrehen von Schrauben oder einer Einsteckspitze zum Einsetzen von Holzdübeln ausgestattet werden. Eine an der Außenseite des Bits angebrachte Ausrichtungshilfe erleichtert die Verbindung mit der Schraube.

Auf beiden Seiten des Schraubfingers ist eine flexible Kulisse samt Kulissenführung angebracht. Die Führung verhindert, dass die flexible Verbindung nach links und rechts schwingt. Es ermöglicht auch Auf- und Abbewegungen. Die flexible Verbindung besteht aus mehreren W-Formen. Es verfügt über eine hervorstehende Struktur, die mit der Verbindungsführung in Kontakt steht. Diese durchgehende W-Form macht es zu einem nachgiebigen Element. Die flexible Verbindung ermöglicht es dem Fahrer, die Kontaktkraft ohne einen präzisen Kraftregler aufrechtzuerhalten. Durch die passive Nachgiebigkeit wird außerdem verhindert, dass die Schraube und die Baugruppe beim Eindrehen der Schraube hängen bleiben.

Wenn eine Kraft entgegen der Schwerkraft ausgeübt wird, biegt sich die flexible Verbindung als Reaktion darauf. Bei Krafteinwirkung in Richtung der Schwerkraft stützt die Kulissenführung die hervorstehende Struktur der flexiblen Kulisse, die horizontal bleibt. Somit kann die Nachgiebigkeit je nach Betätigungsrichtung geändert werden. Beim Schrauben wirkt die Kraft entgegen der Schwerkraft und das Gelenk wird gebogen. Bei der Montage von Zapfen kann die Kraft jedoch stabil auf den Zapfen übertragen werden, da die Einsatzspitze fixiert ist.

Die am Schraubendreher montierte Ausrichtungsführung besteht aus einer Führung und einer Hülse, die durch eine Feder-Schiebe-Verbindung verbunden sind. Beim Verschrauben wird die Hülse in die Ausrichthilfe eingeführt und ragt nach Abschluss der Verschraubung wieder heraus. Die Innenseite der Führungshülse weist eine schräge Form auf, die dabei hilft, die Schraube an der Ausrichtungsführung auszurichten, wenn der Greiffinger die Schraube ohne genaue Positionskontrolle in den Schraubfinger einführt.

Die Einsatzspitze wird auf der Rückseite des Schraubaktors befestigt. Es drückt auf den Stift, um ihn in das Loch einzuführen. Die Wendeschneidplattenspitze ist schräg, so dass die Oberflächen von Zapfen und Wendeschneidplattenspitze im rechten Winkel stehen.

Sowohl der Greifteil als auch der Schraubteil des Endeffektors werden von handelsüblichen Servomotoren mit eingebauten Sensoren angetrieben. Für die Ansteuerung und Stromversorgung der Motoren sind lediglich vier Leitungen erforderlich. Jeder Motor und die Hauptsteuerung kommunizieren über RS485.

Alle Gelenke sind in Reihe geschaltet. Dadurch kann der Endeffektor auf Gelenkebene modularisiert werden. Die modulare Gelenkstruktur ist leicht zu pflegen und die Gelenkkonfiguration des Fingers kann leicht geändert werden.

Der Schraubteil unseres Endeffektors ist 25,7 Zentimeter lang, 22,7 Zentimeter breit und 16,9 Zentimeter hoch. Es wiegt etwa 1,5 Kilogramm. Die Hülse der Ausrichtungslehre besteht aus transparentem Acryl. Die flexible Verbindung zwischen Schraubendreher und Fingerspitzenmaterial ist ABS. Es wurde mit einem 3D-Drucker hergestellt.

Um Teile mit unserem Endeffektor zusammenzubauen, werden Positionsinformationen mithilfe eines über der Werkbank installierten Bildverarbeitungssystems erfasst. Das Vision-System ortet zufällig verstreute Objekte wie Schrauben und Dübel. Es bestimmt auch die Position von Löchern in den Teilen. Der Roboter verwendet eine spiralförmige Suchmethode, um einen Stift oder eine Schraube in das Loch einzuführen. Dadurch kann der Roboter das Teil ohne Force-Feedback oder passive Nachgiebigkeit einführen und die unvermeidliche Positionsunsicherheit der Teile überwinden.

Das Einfügen erfolgt in fünf Schritten:

Schritt 1.Bestimmen Sie Position und Größe der Schraube oder des Dübels mithilfe der Bildverarbeitung.

Schritt 2.Fassen Sie das Teil an.

Schritt 3.Richten Sie das Teil am Schraubendreherbit oder der Einführspitze aus.

Schritt 4.Richten Sie das Teil am Loch aus.

Schritt 5.Schraube eindrehen oder Dübel eindrücken.

Der Schraubvorgang wird durch einen im Motor eingebauten Sensor überwacht. Ein externer Drehmomentsensor wurde nicht verwendet. Vor dem Eindrehen der Schraube dreht sich der Motor hin und her, um den Eingriff des Bits sicherzustellen. Dann treibt der Motor die Schnecke mit konstanter Geschwindigkeit an. Der Motor schaltet sich ab, wenn der Sensor eine dramatische Änderung der Motorgeschwindigkeit erkennt, was darauf hindeutet, dass die Schraube vollständig eingeschraubt ist.

Um unseren Roboter-Endeffektor zum Schrauben zu testen, haben wir eine Roboterzelle entwickelt, um einen Holzstuhl zusammenzubauen. Unsere Zelle ist mit drei sechsachsigen kollaborativen Robotern von Rainbow Robotics ausgestattet. Zwei Cobots sind standardmäßig mit Mehrfingergreifern ausgestattet. Diese Cobots halten Teile des Stuhls an Ort und Stelle, während der dritte Cobot, ausgestattet mit unserem Schraub-Endeffektor, Schrauben anbringt. Über der Werkbank ist ein Bildverarbeitungssystem angebracht, um die Teile zu lokalisieren. Zur leichteren Erkennung sind die Schrauben nach dem Zufallsprinzip auf einer grünen Platte angeordnet.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es einem Team von Robotern möglich ist, einen Holzstuhl zusammenzubauen. Unser Schraubendeffektor konnte Schrauben zuverlässig von der Platte aufnehmen und verbauen.

Sangchul Han, Ph.D. // Professor für Robotik // Korea Institute of Industrial Technology // Ansan, Korea