DE-102025102399-B3 - Fingereinheit mit zweidimensionaler Messvorrichtung und einem als Wippe ausgestalteten Sensor, Roboterhand und Verfahren zur Ermittlung der Greifkraft

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fingereinheit (1), insbesondere Fingerspitze, für eine Roboterhand aufweisend eine elastische Haut (2) und eine unterhalb der elastischen Haut (2) angeordnete im Wesentlichen starre Fläche (3), wobei eine zweidimensionale Messvorrichtung auf der starren Fläche (3) angeordnet ist und ein Übertragungselement (4) zwischen der elastischen Haut (2) und der starren Fläche (3) angeordnet ist, wobei das Übertragungselement (4) derart mit der elastischen Haut (2) und der zweidimensionalen Messvorrichtung verbunden ist, dass eine Verformung der elastischen Haut (2) zu einer Bewegung des Übertragungselements (4) führt und die zweidimensionale Messvorrichtung die Bewegung des Übertragungselements (4) messen kann.

Inventors

• Ralf Weippert
• Stefan Glueck
• Patrick Dieterich

Assignees

• Schaeffler Technologies AG & Co. KG

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20250123

Claims (10)

1. Fingereinheit (1), insbesondere Fingerspitze, für eine Roboterhand aufweisend eine elastische Haut (2) und eine unterhalb der elastischen Haut (2) angeordnete im Wesentlichen starre Fläche (3), wobei eine zweidimensionale Messvorrichtung auf der starren Fläche (3) angeordnet ist und ein Übertragungselement (4) zwischen der elastischen Haut (2) und der starren Fläche (3) angeordnet ist, wobei das Übertragungselement (4) derart mit der elastischen Haut (2) und der zweidimensionalen Messvorrichtung verbunden ist, dass eine Verformung der elastischen Haut (2) zu einer Bewegung, insbesondere Verkippung, des Übertragungselements (4) führt und die zweidimensionale Messvorrichtung die Bewegung des Übertragungselements (4) messen kann, dadurch gekennzeichnet , dass die zweidimensionale Messvorrichtung zwei Sensoren (6), insbesondere zwei Potentiometer, aufweist, das Übertragungselement (4) je Sensor (6) der zweidimensionalen Messvorrichtung ein Kopplungselement (5) aufweist, wobei die Kopplungselemente (5) derart angeordnet sind, dass eine Bewegung, insbesondere Verkippung, des Übertragungselements (4) mittels der Kopplungselemente (5) an den jeweiligen Sensor (6) übertragen wird, und die Sensoren (6) jeweils eine Wippe (6.1) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, durch das Kopplungselement (5) betätigt zu werden, wobei die Wippen (6.1) jeweils eine zentral angeordnete Aussparung (6.2) aufweisen, wobei ein Kopplungselement (5) zumindest teilweise in der Aussparung (6.2) des jeweiligen Sensors (6) angeordnet ist.
2. Fingereinheit (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Sensoren (6) der zweidimensionalen Messvorrichtung orthogonal zueinander auf der starren Fläche (3) angeordnet sind.
3. Fingereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die starre Fläche (3) eine Vertiefung (9) aufweist, wobei das Übertragungselement (4) zumindest teilweise innerhalb dieser Vertiefung (9) angeordnet ist.
4. Fingereinheit (1) nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Fingereinheit (1) eine Rückstellfeder (7) aufweist, wobei die Rückstellfeder (7) zumindest teilweise in der Vertiefung (9) angeordnet ist und die Rückstellfeder (7) derart angeordnet ist, dass die Rückstellfeder (7) das Übertragungselement (4) in eine Ausgangslage, insbesondere nach einer Auslenkung des Übertragungselements (4), zurückbewegt.
5. Fingereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Fingereinheit (1) zusätzlich zu der zweidimensionalen Messvorrichtung eine weitere Messvorrichtung aufweist, wobei die weitere Messvorrichtung derart angeordnet ist, dass eine Bewegung der elastischen Haut (2) im Wesentlichen senkrecht zur starren Fläche (3) und/oder elastischen Haut (2) mittels des Übertragungselement (4) an die weitere Messvorrichtung übertragen wird und detektiert werden kann.
6. Fingereinheit (1) nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die weitere Messvorrichtung als Tastelement (8) ausgestaltet ist, insbesondere ein digitales Tastelement ist, und das Tastelement (8) einen Schwellenwert aufweist, wobei das Tastelement (8) nur das Überschreiten des Schwellenwertes feststellt.
7. Roboterhand aufweisend mindestens zwei Fingereinheiten (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Auswerteeinheit, wobei die Auswerteeinheit dazu konfiguriert ist, mittels der zweidimensionalen Messvorrichtung die Bewegung des Übertragungselements (4) zu bestimmen und eine Greifkraft oder Reibkraft an der Fingereinheit (1) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet , dass die zweidimensionale Messvorrichtung zwei Sensoren (6), insbesondere zwei Potentiometer, aufweist, das Übertragungselement (4) je Sensor (6) der zweidimensionalen Messvorrichtung ein Kopplungselement (5) aufweist, wobei die Kopplungselemente (5) derart angeordnet sind, dass eine Bewegung, insbesondere Verkippung, des Übertragungselements (4) mittels der Kopplungselemente (5) an den jeweiligen Sensor (6) übertragen wird, und die Sensoren (6) jeweils eine Wippe (6.1) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, durch das Kopplungselement (5) betätigt zu werden, wobei die Wippen (6.1) jeweils eine zentral angeordnete Aussparung (6.2) aufweisen, wobei ein Kopplungselement (5) zumindest teilweise in der Aussparung (6.2) des jeweiligen Sensors (6) angeordnet ist.
8. Roboterhand nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet , dass die Auswerteeinheit über zumindest eine Verbindungsleitung (10) mit jeweils einer Fingereinheit (1) verbunden ist.
9. Verfahren zur Ermittlung einer Greifkraft oder Reibkraft an einer Fingereinheit (1), insbesondere an einer Fingerspitze, einer Roboterhand, wobei die Fingereinheit (1) eine elastische Haut (2) und eine unterhalb der elastischen Haut (2) angeordnete im Wesentlichen starre Fläche (3) aufweist, wobei eine zweidimensionale Messvorrichtung auf der starren Fläche (3) angeordnet ist und ein Übertragungselement (4) zwischen der elastischen Haut (2) und der starren Fläche (3) angeordnet ist, wobei die Bewegung der elastischen Haut (2) mittels des Übertragungselements (4) an die zweidimensionale Messvorrichtung übertragen wird und die zweidimensionale Messvorrichtung eine Verformung der elastischen Haut (2) feststellt und eine Greifkraft oder Reibkraft ermittelt wird, wobei die zweidimensionale Messvorrichtung zwei Sensoren (6), insbesondere zwei Potentiometer, aufweist, das Übertragungselement (4) je Sensor (6) der zweidimensionalen Messvorrichtung ein Kopplungselement (5) aufweist, wobei die Kopplungselemente (5) derart angeordnet sind, dass eine Bewegung, insbesondere Verkippung, des Übertragungselements (4) mittels der Kopplungselemente (5) an den jeweiligen Sensor (6) übertragen wird. und die Sensoren (6) jeweils eine Wippe (6.1) aufweisen, die dazu eingerichtet ist, durch das Kopplungselement (5) betätigt zu werden, wobei die Wippen (6.1) jeweils eine zentral angeordnete Aussparung (6.2) aufweisen, wobei ein Kopplungselement (5) zumindest teilweise in der Aussparung (6.2) des jeweiligen Sensors (6) angeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet , dass die Fingereinheit (1) mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit über die Verformung der elastischen Haut (2) eine Kraft an der Fingereinheit (1) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fingereinheit für eine Roboterhand und eine Roboterhand aufweisend mindestens zwei Fingereinheiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Greifkraft oder Reibkraft an einer Fingereinheit einer Roboterhand. Roboterarme finden in der Industrie und etwaigen weiteren Feldern immer mehr Anwendung. Um präzisere Funktionen und das Anwendungsgebiet dieser Roboterarme zu erweitern, weisen die Roboterarme oftmals eine Roboterhand auf, die einer menschlichen Hand nachempfundenen ist. Derartige Roboterhände können exemplarisch Montagearbeiten in der Automobilindustrie ausführen oder bei der Forschung und Entwicklung in der Wissenschaft aushelfen, wobei die Roboterhände mehrere Fingereinheiten aufweisen, um die Arbeiten ähnlich einer menschlichen Hand auszuführen. Die Anwendungsgebiete der Roboterhände sind enorm, wobei die Anforderungen an die Roboterhände insbesondere bei feinen Bauteilen und/oder präzisen Arbeitsschritten extrem hoch sind. Um beispielsweise mit fragilen oder rutschigen Gegenständen umzugehen, bedarf es bei einer Roboterhand einer feinfühligen Dosierung der Greifkraft. Eine feinfühlige Dosierung der Greifkraft benötigt eine entsprechende Sensorik. Exemplarisch kann auf die Greifkraft der Fingereinheit über die Stromaufnahme des Aktuators der jeweiligen Fingereinheit rückgeschlossen werden, wobei die Stromaufnahme keinen Hinweis darüber liefert, ob die eingestellte Greifkraft ausreichend hoch ist um den Gegenstand zu halten. Ferner wäre eine derartige Methode nur denkbar, wenn jede Fingereinheit eine getrennte motorische Ansteuerung aufweisen würde. Dies würde sich wiederrum nachteilig auf den elektronischen Aufwand auswirken, da eine hohe Komplexität und Verkabelungsaufwand notwendig sind. Zudem wäre der hohe elektronische Aufwand gleichbedeutend mit hohen Kosten. Alternativ kann die Greifkraft über optische Messungen ermittelt werden, wobei eine oder mehrere Kameras an oder in der Hand angeordnet sind. Optische Messungen benötigen jedoch einen enormen Rechenaufwand und um eindeutige Rückschlüsse auf die Höhe der Greifkraft und/oder ob die Greifkraft ausreichend hoch ist, könnten zudem neuronale Netzwerke notwendig sein. Somit stellt eine optische Messung neben dem enormen Rechenaufwand auch einen erheblichen Kostenaufwand dar. Eine weitere Möglichkeit zur Messung der Greifkraft sind taktile Sensoren mit druckempfindlichen Sensorarrays in den Fingereinheiten. Nachteilig wirkt sich bei dieser Art der Messung die aufwändige Elektronik und die hohen Kosten aus. Es sind zahlreiche Sensoren nötig, um eine ausreichend hohe Genauigkeit zu liefern, wobei nichtsdestotrotz eine geringe Ortsauflösung vorliegen kann. Die DE 20 16 295 A beschreibt eine taktile Rückmeldeeinrichtung für motorisch angetriebene Hand- und Armprothesen, die dem Versorgten die an den Fingern auftretenden Griffkräfte und die Stellung der Finger und ihrer Glieder zueinander auf einen Teil der Hautoberfläche in Form eines zweidimensionalen Druckmusters signalisiert. Die DE 10 2016 206 980 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Handhabung eines Körpers, bei denen der Körper mittels einer Aufnahmevorrichtung an einer ersten Position aufgenommen und zu einer zweiten Position transportiert wird. Um die Art und Weise der Vereinzelung und des Ergreifens eines Körpers mittels der Aufnahmevorrichtung zu optimieren, ist vorgesehen, dass zuerst mittels eines berührungsfreien Objekterkennungssystems eine Repräsentation des Körpers erfasst wird. Die DE 10 2010 005 673 A1 beschreibt einen Greifer für eine Handhabungseinrichtung mit mindestens einem elastisch verformbaren Greiferelement, welches durch eine Kraft zum Handhaben eines zu handhabenden Gegenstandes verformbar ist. În dem Greifer ist ein Sensor zur Messung einer Verformung des Greiferelements integriert ist. DE 10 2023 117 351 B3 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Greifvorrichtung, aufweisend eine Greifanordnung mit Haltelementen, welche eine teilweise elastisch verformbare Struktur aufweisen, zum Halten eines umzuschlagenden Gutes, umfassend eine Messung eines Spannungszustandes wenigstens eines der Haltelemente mittels Spannungsmessvorrichtungen; und Ermittlung eines momentanen Betriebszustandes der Greifvorrichtung auf Basis des Spannungszustandes des Haltelements; und Steuerung der Greifvorrichtung auf Basis des ermittelten Betriebszustandes. Die JP H06- 182 688 A beschreibt ein taktiles Sensorgerät zur Erkennung einer Verformung eines Strahlteils mit einem Dehnungssensor. Die US 5 844 146 A beschreibt einen Kraftsensor zum Messen von Scherkräften. Eine Lichtquelle befindet sich in einer Ausnehmung eines verformbaren Bauteils. Daneben ist ein Positionserfassungs- Detektor angeordnet. Wenn sich das verformbare Bauteil verformt, bewegt sich der Auftreffort von Licht auf den Positionserfassungs- Detektor. Offenbarung der Erfindung Wie vorstehend erläutert, stellt die Messung der Greifkraft an den Fingereinheiten eine