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DE102023134831A1 - Gripping element for use in robotics and cobotics - Google Patents

Gripping element for use in robotics and cobotics Download PDF

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DE102023134831A1
DE102023134831A1 DE102023134831.0A DE102023134831A DE102023134831A1 DE 102023134831 A1 DE102023134831 A1 DE 102023134831A1 DE 102023134831 A DE102023134831 A DE 102023134831A DE 102023134831 A1 DE102023134831 A1 DE 102023134831A1
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DE
Germany
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gripping element
gripping
bending beam
strain gauges
multiple bending
Prior art date
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Pending
Application number
DE102023134831.0A
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German (de)
Inventor
Nikolai Hangst
Thomas Wendt
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Hochschule Offenburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Original Assignee
Hochschule Offenburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Greifelement zum Einsatz in der Robotik und Kobotik, wobei das Greifelement (5a, 5b) wenigstens teilweise als Mehrfachbiegebalken (9, 19) ausgebildet ist, so dass ein im Wesentlichen paralleles Greifen und insbesondere eine direkte Messung der Greifkraft sowie eine Faserverstärkung ermöglicht wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Greifelements.The invention relates to a gripping element for use in robotics and cobotics, wherein the gripping element (5a, 5b) is at least partially designed as a multiple bending beam (9, 19), thus enabling essentially parallel gripping and, in particular, direct measurement of the gripping force, as well as fiber reinforcement. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a gripping element.

Description

Die Erfindung betrifft ein Greifelement zum Einsatz in der Robotik und Kobotik (kollaborativen Robotik) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Greifelements.The invention relates to a gripping element for use in robotics and cobotics (collaborative robotics) and a method for producing such a gripping element.

In der Robotik und Kobotik werden bereits Greifelemente verwendet, um Objekte sicher zu greifen, zu halten und zu bewegen.In robotics and cobotics, gripping elements are already used to safely grasp, hold and move objects.

Je nach Objekt ist es erforderlich, sensitive Greifbacken einzusetzen, die mittels 3D-Druck (additiv) gefertigte Sensoren aufweisen. Derartige Sensoren bestehen aus einem nichtleitfähigen und einem leitfähigen Material. Als nichtleitendes Material werden meist Kunststoffe verwendet. Als leitfähiges Material kommen dagegen mit Kohlenstoff oder Graphit versetzte Kunststoffe oder Silbertinten zum Einsatz (siehe beispielsweise WO2020/041221 A1 , DE102019102913 A1 , JP2020128083 A und US 2016/0198576 A1 ).Depending on the object, it may be necessary to use sensitive gripper jaws with sensors manufactured using 3D printing (additive). Such sensors consist of a non-conductive and a conductive material. Plastics are usually used as the non-conductive material. Plastics mixed with carbon or graphite, or silver inks, are used as the conductive material (see, for example, WO2020/041221 A1 , DE102019102913 A1 , JP2020128083 A and US 2016/0198576 A1 ).

Nachteile dieser additiv gefertigten Sensoren sind auf deren geringe Festigkeit, geringe Steifigkeit und deren viskoelastische Eigenschaften zurückzuführen. Bei der Viskoelastizität handelt es sich um eine zeitabhängige Dehnung des Materials bei sprunghafter Belastung. Dadurch wird der Messwert des Sensors zu Beginn des Greifvorgangs verfälscht, da sich die endgültige Dehnung und damit die Kraft erst im Laufe der Zeit einstellt. Darüber hinaus weisen Kunststoffe eine hohe thermische Ausdehnung auf (beispielweise Faktor 10 im Vergleich zu Metallen).Disadvantages of these additively manufactured sensors include their low strength, low stiffness, and their viscoelastic properties. Viscoelasticity is a time-dependent expansion of the material under sudden load. This distorts the sensor's measured value at the beginning of the gripping process, as the final expansion, and thus the force, only develops over time. Furthermore, plastics exhibit high thermal expansion (for example, a factor of 10 compared to metals).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Greifelement sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Greifelement zu schaffen, das vorgenannte Nachteile vermindert, bestenfalls vermeidet und eine exakte Kraftmessung beim Greifen ermöglicht sowie ein Beschädigen der zu greifenden Objekte verhindert.The present invention is therefore based on the object of creating a gripping element and a manufacturing method for such a gripping element which reduces the aforementioned disadvantages, at best avoids them and enables an exact force measurement during gripping and prevents damage to the objects to be gripped.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Greifelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Greifelement mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.This object is achieved according to the invention by a gripping element having the features of claim 1 and a manufacturing method for such a gripping element having the features of claim 6.

Nach der Erfindung lässt sich ein additiv, also mittels 3D-Druck, gefertigtes sensitives Greifelement, insbesondere eine Greifbacke aus Kunststoff herstellen, das verbesserte mechanische und elektrische Eigenschaften (Festigkeit, Steifigkeit, Linearität und viskoelastisches Verhalten) aufweist.According to the invention, a sensitive gripping element, in particular a gripping jaw made of plastic, can be manufactured additively, i.e. by means of 3D printing, which has improved mechanical and electrical properties (strength, stiffness, linearity and viscoelastic behavior).

Hierzu ist das Greifelement wenigstens teilweise als Mehrfachbiegebalken, beispielsweise als doppelter, bevorzugt als vierfacher, fünffacher, sechsfacher, siebenfacher oder mehrfacher Biegebalken ausgebildet, so dass ein im Wesentlichen paralleles Greifen ermöglicht wird, wobei sich das Greifelement bei einem Greifen im Wesentlichen parallel zur Ausgangslage verformt, so dass nur ein geringer Neigungswinkel bei dieser Auslenkung (Verformung) entsteht, d.h. beispielsweise wenige Grad, vorzugsweise ein Bruchteil eines Grades, insbesondere weniger als 0,15°, höchst vorzugsweise weniger als 0,05° beträgt.For this purpose, the gripping element is at least partially designed as a multiple bending beam, for example as a double, preferably as a quadruple, five-fold, six-fold, seven-fold or multiple bending beam, so that a substantially parallel gripping is possible, wherein the gripping element deforms during gripping substantially parallel to the starting position, so that only a small angle of inclination arises during this deflection (deformation), i.e. for example a few degrees, preferably a fraction of a degree, in particular less than 0.15°, most preferably less than 0.05°.

Bei einem Greifen wird dadurch vorteilhafterweise eine wesentliche Biegung des Greifelements vermieden, wodurch eine exaktere Messung gewährleitet werden kann.This advantageously avoids significant bending of the gripping element during gripping, thus ensuring a more precise measurement.

Nach der Erfindung ist bei einem parallelen Greifen der Krafteinleitungspunkt, an dem das Bauteil gegriffen wird, unkritisch. Bei einem nicht parallelen Greifen ist dagegen die Hebellänge mit entscheidend.According to the invention, the force application point at which the component is gripped is uncritical for parallel gripping. However, for non-parallel gripping, the lever length is also crucial.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung besteht der Mehrfachbiegebalken aus vorzugsweise mindestens zwei, drei, vier, fünf, sechs oder sieben insbesondere gleich ausgebildeten, einzelnen in Relation zu ihrer Länge (beispielsweise mehrere Zentimeter) dünn, beispielsweise wenige Millimeter oder gar nur einen Millimeter dicken, ausgeprägten Balken. Die Relation von Dicke zur Länge steht vorteilhafterweise in einem Verhältnis von höchstens 1:5, vorzugsweise von höchstens 1:10, insbesondere von höchstens 1:15.In a preferred embodiment of the invention, the multiple bending beam preferably consists of at least two, three, four, five, six, or seven, in particular identically designed, individual beams that are thin in relation to their length (e.g., several centimeters), for example, a few millimeters or even only one millimeter thick. The thickness-to-length ratio is advantageously at most 1:5, preferably at most 1:10, in particular at most 1:15.

Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, die Stabilität des Greifelements, insbesondere des Kunststofffingers, zu erhöhen und gleichzeitig die Parallelität des Greifens zu optimieren. Selbst kann bei der Verwendung von Kunststoff als Trägermaterial für ein Greifelement hierdurch eine ausreichende Stabilität des Greifelements gewährleistet werden, ohne dass die Messgenauigkeit der Kraftmessung von beispielsweise mehreren Newton, vorzugsweise mindestens 10 Newton, insbesondere mindestens 40 Newton, beeinträchtigt wird.This advantageously makes it possible to increase the stability of the gripping element, in particular of the plastic finger, while simultaneously optimizing the parallelism of the gripping action. Even when using plastic as the carrier material for a gripping element, sufficient stability of the gripping element can be ensured without compromising the measurement accuracy of the force measurement of, for example, several Newtons, preferably at least 10 Newtons, in particular at least 40 Newtons.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in jeden Biegebalken des Mehrfachbiegebalkens mehrere Dehnungsmessstreifen, die vorzugsweise aus Widerstandsdraht, insbesondere Konstantandraht bestehen, eingebettet, so dass daraus eine mechanische Verstärkung (Faserverstärkung) des Greifelements resultiert. Durch die Einbettung eines 3D-gedruckten Kraftsensors in Form von wenigstens einem Dehnungsmessstreifen kann die an der Greifbacke ansetzende bzw. die die Verformung (Biegung des Biegebalkens) bewirkende Kraft (direkte Messung der Greifkraft am zu greifenden bzw. gegriffenen Bauteil sowie Verbesserung der Linearität und der viskoelastischen Eigenschaften) gemessen werden. Zudem ermöglicht die Einbettung wenigstens eines Dehnungsmessstreifens in vorzugsweise jeden einzelnen Stab bzw. Balken eines Mehrfachbiegebalkens neben der Kraftmessung gleichzeitig eine mechanische Verstärkung des Bauteils.In a further embodiment of the invention, several strain gauges, preferably made of resistance wire, in particular constantan wire, are embedded in each bending beam of the multiple bending beam, resulting in mechanical reinforcement (fiber reinforcement) of the gripping element. By embedding a 3D-printed force sensor in the form of at least one strain gauge, the force acting on the gripping jaw or causing the deformation (bending of the bending beam) can be measured (direct measurement of the gripping force on the component to be gripped or gripped, as well as improvement of the linearity and viscoelastic properties). In addition, the embedding of at least one strain gauge in preferably each individual bar or beam of a multiple bending beam enables not only force measurement but also mechanical reinforcement of the component.

Es ist daher auch denkbar, die Dehnungsmessstreifen (DMS) nicht als Kraftsensor, sondern ausschließlich zum Zweck der Verstärkung des Mehrfachbiegebalkens einzubringen. In diesem Fall können die DMS somit auch passiv rein zur mechanischen Verstärkung ohne elektrische Auswertung verwendet werden.It is therefore also conceivable to use strain gauges not as force sensors, but solely for the purpose of reinforcing the multiple bending beam. In this case, the strain gauges can also be used passively, purely for mechanical reinforcement without electrical evaluation.

Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird das Greifelement mittels additivem Fertigungsverfahren, insbesondere mittels 3D-Druck, gefertigt.According to the manufacturing method according to the invention, the gripping element is manufactured by means of additive manufacturing, in particular by means of 3D printing.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird das Greifelement mittels additiver Fertigung in Form eines einteiligen Bauteils hergestellt. Auf diese Weise kann das Herstellungsverfahren vereinfacht werden, und Kosten können eingespart werden. In a particularly preferred embodiment of the invention, the gripping element is manufactured as a one-piece component using additive manufacturing. This simplifies the manufacturing process and reduces costs.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden während der schichtweisen additiven Fertigung des Greifelements in jeden Biegebalken mehrere Dehnungsmessstreifen eingebettet, so dass eine mechanische Verstärkung des Greifelements erfolgt.In a further embodiment of the invention, several strain gauges are embedded in each bending beam during the layer-by-layer additive manufacturing of the gripping element, so that the gripping element is mechanically reinforced.

Die Dehnungsmessstreifen können vorzugsweise während der schichtweisen additiven Fertigung des Greifelements an Oberseite und Unterseite jedes Biegebalkens, vorzugsweise mit einer darüberliegenden wenigstens einer Schutzschicht in eine Schicht eingebettet werden. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise die Stabilität des Greifelements weiter erhöhen.The strain gauges can preferably be embedded in a layer on the top and bottom of each bending beam during the layer-by-layer additive manufacturing of the gripping element, preferably with at least one protective layer overlying them. This advantageously further increases the stability of the gripping element.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung befinden sich auf Ober- und Unterseite (gegebenenfalls mit einer Schutzschicht versehen) wenigstens zwei Dehnungsmessstreifen für Druck- und Zugbelastung, die vorzugsweise jenseits und diesseits eines Umkehrpunkts des Mehrfachbiegebalkens angeordnet sind.In a particular embodiment of the invention, at least two strain gauges for compressive and tensile loads are located on the top and bottom sides (optionally provided with a protective layer), which are preferably arranged on the other side and on this side of a reversal point of the multiple bending beam.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Dehnungsmessstreifen nicht selbst mittels 3D-Druck hergestellt, sondern bestehen aus einem Widerstandsdraht, vorzugsweise Endlosdraht, insbesondere Konstantandraht. Dieser Draht, beispielsweise gezogen, gewalzt, etc., kann in eine Schicht, vorzugsweise eine weit außen liegende Schicht, eingebettet, insbesondere eingebügelt, also erwärmt und/oder mit Druck eingebracht werden. Durch die Verwendung eines Endlosdrahts, vorzugsweise Einbetten in Form von mehreren mäanderförmigen Schleifen oder Windungen (mit geraden Abschnitten in Richtung der länglichen Erstreckung des Greifelements), wird die Festigkeit und Steifigkeit wesentlich erhöht.In a further embodiment of the invention, the strain gauges themselves are not manufactured using 3D printing, but consist of a resistance wire, preferably a continuous wire, in particular a constantan wire. This wire, for example, drawn, rolled, etc., can be embedded into a layer, preferably a layer located far outward, in particular by ironing, i.e., heated and/or introduced with pressure. By using a continuous wire, preferably embedding it in the form of several meandering loops or windings (with straight sections in the direction of the elongated extension of the gripping element), the strength and rigidity are significantly increased.

Zudem kann der Dehnungsmessstreifen statt vorgefertigt auch erst beim Einlegen bzw. Einbetten in Form und Größe sowie Anzahl der Windungen geformt werden. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise selbst eine individuelle Anpassung an Größe und Form des Greifelements und des entsprechend gewünschten Dehnungsmessstreifens während der additiven Fertigung durch Einbetten in eine gerade erstellte Schicht (mittels 3D-Druck) erfolgen.In addition, instead of prefabricated, the strain gauge can be shaped in shape, size, and number of turns during insertion or embedding. This advantageously allows for individual adaptation to the size and shape of the gripping element and the desired strain gauge during additive manufacturing by embedding it into a newly created layer (using 3D printing).

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine individuelle Anpassung von Greifbacken an die Greifgegenstände sowie eine Prozessüberwachung und Schadensvermeidung durch Greifkraftmessung direkt am Bauteil.The solution according to the invention enables individual adaptation of gripping jaws to the gripped objects as well as process monitoring and damage prevention by measuring gripping force directly on the component.

Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Verbesserung der Linearität, des viskoelastischen Verhaltens und der Lebensdauer gegenüber bisher additiv gefertigten Sensoren auf Basis von Kunststoffträgern.In addition, the solution according to the invention enables an improvement in linearity, viscoelastic behavior and service life compared to previously additively manufactured sensors based on plastic carriers.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verzug der Greifbacken (Warping) während und nach dem Druck verhindert. Zudem wird ein kostengünstiges und einfaches Recycling durch einfache Trennung von Kunststoff und Draht gewährleistet.Furthermore, the invention prevents warping of the gripper jaws during and after printing. Furthermore, cost-effective and easy recycling is ensured by simply separating the plastic and wire.

Die erfindungsgemäße additive Fertigung auf Kunststoffbasis ermöglicht zudem eine Preissenkung bei der Herstellung von sensitiven Greifbacken.The inventive additive manufacturing based on plastic also enables a reduction in the price of sensitive gripper jaws.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous embodiments arise from the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Greifelementen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments of gripping elements according to the invention shown in the drawing.

In der Zeichnung zeigen:

  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Greifvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Greifelement;
  • 2a eine Seitenansicht auf eine Greifelementstruktur in Form eines mehrfachen Biegebalkens;
  • 2b eine Seitenansicht auf ein nicht zur Erfindung gehöriges Beispiel einer Greifelementstruktur in Form eines einfachen Biegebalkens;
  • 3a eine Seitenansicht auf die Greifelementstruktur in Form des mehrfachen Biegebalkens nach 2a in ausgelenkter Position;
  • 3b eine vergrößerte Ansicht eines Details aus 3a;
  • 4 eine Seitenansicht auf die Greifelementstruktur in Form des mehrfachen Biegebalkens nach 1 in nicht ausgelenkter Position mit eingebetteten Dehnungsmessstreifen;
  • 5a eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 4;
  • 5b eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 4;
  • 6 einen Schaltplan einer Messschaltung und
  • 7 eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in 5a mit einer schematischen Darstellung eines Schichtaufbaus des einzelnen Stabes eines Biegebalkens.
The drawing shows:
  • 1 a perspective view of a gripping device with a gripping element according to the invention;
  • 2a a side view of a gripping element structure in the form of a multiple bending beam;
  • 2b a side view of an example not belonging to the invention of a gripping element structure in the form of a simple bending beam;
  • 3a a side view of the gripping element structure in the form of the multiple bending beam according to 2a in deflected position;
  • 3b an enlarged view of a detail from 3a ;
  • 4 a side view of the gripping element structure in the form of the multiple bending beam according to 1 in undeflected position with embedded strain gauges;
  • 5a a sectional view along the line AA in 4 ;
  • 5b a sectional view along the line BB in 4 ;
  • 6 a circuit diagram of a measuring circuit and
  • 7 a sectional view along the line CC in 5a with a schematic representation of a layer structure of the individual bar of a bending beam.

Die in 1 dargestellte Greifvorrichtung zeigt eine von vielen Möglichkeiten, wie die erfindungsgemäßen Greifelemente beispielsweise in Form von Greifbacken verwendet und eingesetzt werden können. In dem dargestellten Beispiel sind zwei zueinander komplementär ausgebildete, bzw. identisch ausgebildet, aber um 180° verdreht eingesetzte Greifelemente in Form von nach innen gerichteten Greifbacken 5a und 5b vorgesehen. Diese Greifbacken 5a, 5b sind über einen in einem Gehäuse 3 angeordneten Antrieb (beispielsweise elektrisch, insbesondere mittels eines Aktivators in Form eines Stellmotors, Schrittmotor, etc. oder pneumatisch) linear bewegbar. Wie dargestellt, kann durch ein entsprechend gesteuertes Aufeinanderzubewegen ein Objekt, beispielsweise ein Ei 7, gegriffen werden, vorzugsweise, ohne das Ei 7 zu beschädigen.The 1 The gripping device shown shows one of many ways in which the gripping elements according to the invention, for example in the form of gripping jaws, can be used and employed. In the example shown, two gripping elements in the form of inward-facing gripping jaws 5a and 5b that are complementary to one another or identical in design but rotated by 180° are provided. These gripping jaws 5a, 5b can be moved linearly via a drive arranged in a housing 3 (for example electrically, in particular by means of an activator in the form of a servomotor, stepper motor, etc., or pneumatically). As shown, an object, for example an egg 7, can be gripped by a correspondingly controlled movement towards one another, preferably without damaging the egg 7.

Die Steuerung der Bewegung erfolgt über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuervorrichtung, mit welcher ein ausgeübter Anpressdruck bzw. die ausgeübte Anpresskraft in gewünschter Form geregelt werden kann.The movement is controlled by a control device not shown in the drawing, with which the applied contact pressure or the applied contact force can be regulated in the desired manner.

Um die Anpresskraft möglichst parallel auszuüben, sind die Greifelemente, wie dargestellt, wenigstens teilweise als Mehrfachbiegebalken (im Beispiel als siebenfacher Biegebalken) ausgebildet.In order to exert the contact force as parallel as possible, the gripping elements are, as shown, at least partially designed as multiple bending beams (in the example as a sevenfold bending beam).

Wie am Beispiel einer in 2a dargestellten Greifbacke in Form eines vierfachen Biegebalkens 9 erläutert, erfolgt eine vorwiegend lineare Verformung bzw. Verschiebung der Angriffsfläche der Greifbacke (paralleles Greifen) bei einem Angreifen einer Kraft F um eine Wegstrecke w, so dass deren Angriffsfläche trotz Auslenkung weiterhin im Wesentlichen parallel zur ursprünglichen, in 2a gestrichelt dargestellten, nicht ausgelenkten bzw. nicht verformten Position bleibt. Entsprechend ist der Neigungswinkel α bei dieser Auslenkung (Verformung) minimal bzw. beträgt ein Bruchteil eines Grades, insbesondere weniger als 0,15°, vorzugsweise weniger als 0,05°.As shown by the example of a 2a As explained in the example of the gripping jaw shown in the form of a quadruple bending beam 9, a predominantly linear deformation or displacement of the gripping surface of the gripping jaw (parallel gripping) occurs when a force F is applied by a distance w, so that its gripping surface, despite deflection, continues to be essentially parallel to the original, in 2a remains in the non-deflected or non-deformed position shown by the dashed line. Accordingly, the angle of inclination α at this deflection (deformation) is minimal or amounts to a fraction of a degree, in particular less than 0.15°, preferably less than 0.05°.

Dagegen ist der Neigungswinkel β bei einer Auslenkung eines einfachen, in 2b dargestellten Biegebalkens (mit ähnlichen oder gleichen Abmessungen, insbesondere gleicher Länge und Dicke) bei einem Angreifen einer (gleichen) Kraft F um eine (vorzugsweise ähnliche oder gleiche) Wegstrecke w deutlich größer, so dass im Sinne der Erfindung nicht mehr von einem im Wesentlichen parallelen Greifen gesprochen werden kann. Die Angriffsfläche der Greifbacke in Form eines einfachen Biegebalkens nimmt bei Auslenkung statt einer zur - in 2b gestrichelt dargestellten nicht ausgelenkten bzw. nicht verformten - ursprünglichen Position im Wesentlichen parallelen Position eine deutlich veränderte, in der Lage schräge Position ein.In contrast, the angle of inclination β for a deflection of a simple, 2b The deflection of the bending beam shown (with similar or identical dimensions, in particular the same length and thickness) when a (same) force F is applied is significantly greater by a (preferably similar or identical) distance w, so that in the sense of the invention, it can no longer be referred to as a substantially parallel gripping. The contact surface of the gripping jaw in the form of a simple bending beam decreases during deflection instead of a - in 2b The original position, essentially parallel to the non-deflected or non-deformed position shown in dashed lines, assumes a significantly changed, oblique position.

Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, zwei oder mehr Greifelemente in anderer Form anzuordnen. Beispielsweise können die Greifbacken (insbesondere radial) nach außen gerichtet sein, um einen Spreizgriff in einen Hohlraum und damit ein Greifen mit den Außenflächen statt mit den Innenflächen zu realisieren.Of course, it is also conceivable to arrange two or more gripping elements in a different shape. For example, the gripping jaws can be directed outward (particularly radially) to allow for a spread grip into a cavity and thus gripping with the outer surfaces instead of the inner surfaces.

Wie 3a und 3b dargestellt, erfolgt bei dem parallelen Greifen, also einem Greifen mit einem allenfalls minimalen Neigungswinkel α, eine Verformung einzelner Stäbe 9a, 9b, 9c, 9d des Biegebalkens 9 anders als bei einem einfachen Biegebalken (2b).How 3a and 3b As shown, in the case of parallel gripping, i.e. gripping with a minimal angle of inclination α, a deformation of individual bars 9a, 9b, 9c, 9d of the bending beam 9 occurs differently than in the case of a simple bending beam ( 2b) .

Jeder einzelne Stab 9a, 9b, 9c, 9d weist in ausgelenkter Position bzw. im verformten Zustand der Greifbacke 9, wie in 3b dargestellt, in Relation zu seiner Außenseite (bzw. von der inneren Mitte nach außen gesehen) einen Zugbereich σz, einen Druckbereich σd und einen dazwischenliegenden linearen Umkehrbereich U (ohne Verformung) auf.Each individual rod 9a, 9b, 9c, 9d has in the deflected position or in the deformed state of the gripping jaw 9, as in 3b shown, in relation to its outer side (or from the inner center to the outside) a tensile region σ z , a compressive region σ d and an intermediate linear reversal region U (without deformation).

Die Außenseiten, also Ober- und Unterseite eines einzelnen Stabes, wie in 3b anhand des vierten Stabes 9d dargestellt, weisen entsprechend zueinander komplementäre Bereiche auf. So wird im unteren rechtsgekrümmten Bereich des Stabes 9d die Oberseite (in der Zeichnung links liegend) bei der gezeigten Verformung (in der Zeichnung Bewegung nach rechts) auf Zug (Zugbereich σz) beansprucht, wohingegen die Unterseite (in der Zeichnung rechts liegend) auf Druck (Druckbereich σd) beansprucht wird. Im oberen linksgekrümmten Bereich des Balkens 9 wird dagegen die Oberseite (in der Zeichnung links liegend) auf Druck (Druckbereich σd) beansprucht, wohingegen die Unterseite (in der Zeichnung rechts liegend) auf Zug (Zugbereich σz) beansprucht wird. Die gegenläufig gekrümmten Bereiche (rechts- und linksgekrümmt) heben sich hierbei auf, so dass der obere Teil der Greifbacke 9 eine zur Ausgangslage parallele Lage einnimmt.The outer sides, i.e. top and bottom of a single bar, as in 3b illustrated using the fourth bar 9d, have correspondingly complementary regions. Thus, in the lower right-curved region of the bar 9d, the upper side (left in the drawing) is subjected to tension (tensile region σ z ) during the deformation shown (movement to the right in the drawing), whereas the underside (right in the drawing) is subjected to compression (compression region σ d ). In the upper left-curved region of the beam 9, however, the upper side (left in the drawing) is subjected to compression (compression region σ d ), whereas the underside (right in the drawing) is subjected to tension (tensile region σ z ). The oppositely curved regions (right- and left-curved) cancel each other out. so that the upper part of the gripping jaw 9 assumes a position parallel to the starting position.

Die in 4 schematisch dargestellte Seitenansicht eines siebenfachen Biegebalkens mit sieben Stäben 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g gilt selbstverständlich auch für andere Ausführungsformen mit einer anderen Anzahl von Stäben.The 4 The schematically illustrated side view of a sevenfold bending beam with seven bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g naturally also applies to other embodiments with a different number of bars.

Die Stäbe 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g weisen an Ober- und Unterseite eingebettete Dehnungsmessstreifen bzw. Messgitter auf. So zeigt 5a die Oberseite und 5b die Unterseite des (dritten) Stabes 19c. Zur besseren Verständlichkeit sind die Schichten in 4 und 5a, 5b über die eigentlichen Stäbe 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g hinausreichend dargestellt.The bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g have strain gauges or measuring grids embedded on the top and bottom. 5a the top and 5b the underside of the (third) bar 19c. For better understanding, the layers are 4 and 5a , 5b shown extending beyond the actual bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g.

Die eigentlichen Stäbe 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g - und nicht die darüber hinausreichenden (Druck-)Schichten - sind vorzugsweise in ihrer ganzen Länge an Ober- und Unterseite jeweils mit zwei aneinander angrenzenden Dehnungsmessstreifen 23 und 25 bzw. 25 und 23 versehen, so dass sich die Festigkeit und Steifigkeit der Stäbe erhöht. Auch wenn sich die Dehnungsmessstreifen über den Umkehrbereich erstrecken, werden in jedem Fall der jeweilige Zugbereich σz und der jeweilige Druckbereich σd mit abgedeckt.The actual bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g—and not the (compression) layers extending beyond them—are preferably provided along their entire length on the top and bottom with two adjacent strain gauges 23 and 25, or 25 and 23, respectively, thus increasing the strength and stiffness of the bars. Even if the strain gauges extend across the reversal region, the respective tensile region σ z and the respective compression region σ d are always covered.

Die Dehnungsmessstreifen 23 und 25 weisen, wie dargestellt, eine mäanderförmige Struktur mit langen, linearen Bereichen, die sich in Längsrichtung des Stabes 19c erstrecken und mit enger Krümmung, so dass möglichst viele lineare bzw. gerade ausgebildete Drahtbereiche existieren, um bei Verformung des Stabes 19c die resultierenden Druck- und Zugspannungen aufnehmen zu können.As shown, the strain gauges 23 and 25 have a meandering structure with long, linear regions extending in the longitudinal direction of the rod 19c and with a tight curvature, so that as many linear or straight wire regions as possible exist in order to be able to absorb the resulting compressive and tensile stresses when the rod 19c is deformed.

Die Dehnungsmessstreifen werden während des Drucks der entsprechenden Schicht über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Vorrichtung, vorzugsweise abgerollt von einer Drahtrolle, in gewünschter Anzahl und Form der Lamellen, angepasst auf Länge und Breite des Stabes 19c, eingebracht. Hierbei kann der Draht, insbesondere Konstantandraht, erhitzt werden, um ein Einschmelzen in die bestehende Schicht zu erleichtern. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, stattdessen vorgefertigte Dehnungsmessstreifen während des Herstellungsprozesses, insbesondere des Drucks, einzulegen, nicht vorgefertigte Dehnungsmessstreifen selbst mitzudrucken oder vorgefertigte Dehnungsmessstreifen nachträglich aufzukleben.The strain gauges are inserted during the printing of the corresponding layer using a device not shown in the drawing, preferably unwound from a wire reel, in the desired number and shape of the lamellae, adapted to the length and width of the rod 19c. The wire, in particular constantan wire, can be heated to facilitate melting into the existing layer. Of course, it is also conceivable to insert prefabricated strain gauges during the manufacturing process, in particular during printing, to print non-prefabricated strain gauges, or to subsequently adhere prefabricated strain gauges.

Anfangs- und Endpunkt der Dehnungsmessstreifen 23 und 25 sind im unteren Bereich des Stabes 19c bzw. der entsprechenden gedruckten Schicht des Balkens 19 als Anschlüsse 23a, 23b und 25a, 25b nach außen geführt.The starting and end points of the strain gauges 23 and 25 are led outwards in the lower area of the rod 19c or the corresponding printed layer of the beam 19 as connections 23a, 23b and 25a, 25b.

Alle auf Zug beanspruchten Dehnungsmessstreifen 25 (der Zugbereiche σz) aller Stäbe 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g werden in Reihe zu einem Widerstand RZug miteinander verbunden. Ebenso werden alle auf Druck beanspruchten Dehnungsmessstreifen 25 (der Druckbereiche σd) aller Stäbe 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g in Reihe zu einem Widerstand RDruck miteinander verbunden, so dass sich der Brückenwiderstand erhöht, insbesondere mit der Anzahl der Biegebalken multipliziert und die Anforderungen an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auswerteeinheit reduziert.All strain gauges 25 subjected to tensile stress (of the tensile ranges σ z ) of all bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g are connected in series to form a resistance R tensile . Likewise, all strain gauges 25 subjected to compressive stress (of the compressive ranges σ d ) of all bars 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g are connected in series to form a resistance R compression , so that the bridge resistance is increased, in particular multiplied by the number of bending beams, and the requirements for an evaluation unit not shown in the drawing are reduced.

Durch das Einbetten von mehreren, bevorzugt vier, Dehnungsmessstreifen pro Stab erhöht sich die Widerstandsänderung und damit die Genauigkeit der Kraftmessung erheblich.By embedding several, preferably four, strain gauges per rod, the resistance change and thus the accuracy of the force measurement is increased considerably.

Die Messung erfolgt beispielsweise, wie in 6 dargestellt, über eine Messbrücke. Bei angelegter Spannung U0 ändert sich die Spannung Um entsprechend der zwischen Widerstand RDruck und Widerstand RZug veränderten Teilspannung. Selbstverständlich ist es auch denkbar, statt einer Halbbrücke, wie dargestellt, eine Vollbrücke als Messvorrichtung zu verwenden, wobei in diesem Fall anstatt fester Widerstände R, Widerstand RDruck und Widerstand RZug im rechten Zweig der Messbrücke umgekehrt zum linken Zweig der Messbrücke verwendet werden.The measurement is carried out, for example, as in 6 shown, via a measuring bridge. When a voltage U 0 is applied, the voltage U m changes according to the partial voltage changed between resistance R compression and resistance R tension . Of course, it is also conceivable to use a full bridge as the measuring device instead of a half bridge, as shown, in which case, instead of fixed resistors R, resistance R compression and resistance R tension are used in the right branch of the measuring bridge in reverse to the left branch of the measuring bridge.

Wie in 7 beispielhaft für andere Ausführungen von Mehrfachbiegebalken dargestellt, weist ein einzelner Stab 19c eines Biegebalkens 19 im Profil einen aus mehreren Schichten bestehenden Aufbau auf.As in 7 As shown by way of example for other designs of multiple bending beams, a single bar 19c of a bending beam 19 has a structure consisting of several layers in the profile.

Der beispielsweise aus acht (1-8) Schichten bestehende Stab 19c weist an seiner Unterseite in Schicht 2 und an seiner Oberseite in Schicht 7 einen in dieser, vorzugsweise aus gedrucktem Kunststoff bestehenden, Schicht eingebetteten Draht 27 auf. Der Draht 27, insbesondere Konstantandraht, kann zum leichteren Einbringen erhitzt werden (beispielsweise in Form eines Einbügelns). Wie dargestellt, sind diese Schichten jeweils von einer äußeren Schicht (erste und achte Schicht) nach außen umgeben. Diese äußere Schicht (erste und achte) wirkt als Schutzschicht gegen äußere mechanische Einflüsse (Beschädigungen, Herausspringen/Lösen des Drahts), wie auch gegen ein Eindringen von Feuchtigkeit und auch zur Vermeidung von Kurzschlüssen.The rod 19c, which consists, for example, of eight (1-8) layers, has a wire 27 embedded in layer 2 on its underside and layer 7 on its upper side, preferably made of printed plastic. The wire 27, in particular constantan wire, can be heated to facilitate insertion (for example, by ironing). As shown, these layers are each surrounded by an outer layer (first and eighth layers). This outer layer (first and eighth) acts as a protective layer against external mechanical influences (damage, jumping out/loosening of the wire), as well as against moisture penetration and to prevent short circuits.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, statt wie dargestellt, mehrere, insbesondere zwei äußere Schichten als Schutzschicht vorzusehen oder gar auf die Schutzschicht zu verzichten.Of course, it is also conceivable to provide several, in particular two, outer layers as a protective layer instead of as shown, or even to dispense with the protective layer altogether.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Greifvorrichtunggripping device
33
Gehäuse mit AntriebHousing with drive
5a5a
Greifbackegripping jaw
5b5b
Greifbackegripping jaw
77
Eiegg
99
Greifbacke in Form eines vierfachen Biegebalkens in verformter PositionGripping jaw in the form of a quadruple bending beam in deformed position
9a9a
erster Balken bzw. Stab des vierfachen Biegebalkens 9first beam or bar of the quadruple bending beam 9
9b9b
zweiter Balken bzw. Stab des vierfachen Biegebalkens 9second beam or bar of the quadruple bending beam 9
9c9c
dritter Balken bzw. Stab des vierfachen Biegebalkens 9third beam or bar of the quadruple bending beam 9
9d9d
vierter Balken bzw. Stab des vierfachen Biegebalkens 9fourth beam or bar of the quadruple bending beam 9
1111
nicht verformte Position von Greifbacke 9non-deformed position of gripping jaw 9
1313
einfacher Biegebalken in verformter Positionsimple bending beam in deformed position
1515
nicht verformte Position von 13non-deformed position of 13
1717
BiegebalkenbereichBending beam area
1919
Greifbacke in Form eines siebenfachen BiegebalkensGripping jaw in the form of a sevenfold bending beam
19a19a
erster Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19first beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19b19b
zweiter Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19second beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19c19c
dritter Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19third beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19d19d
vierter Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19fourth beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19e19e
fünfter Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19fifth beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19f19f
sechster Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19sixth beam or bar of the sevenfold bending beam 19
19g19g
siebter Balken bzw. Stab des siebenfachen Biegebalkens 19seventh beam or bar of the sevenfold bending beam 19
21a21a
vorderer bzw. distaler Teil der Greifbacke 19front or distal part of the gripping jaw 19
21b21b
hinterer bzw. proximaler Teil der Greifbacke 19rear or proximal part of the gripping jaw 19
2323
DMSDMS
23a23a
linker Anschlussleft connection
23b23b
rechter Anschlussright connection
2525
DMSDMS
25a25a
linker Anschlussleft connection
25b25b
rechter Anschlussright connection
2727
eingebetteter Drahtembedded wire
2929
gedruckter Kunststoffprinted plastic
αα
Winkelangle
ββ
Winkelangle
σzσz
ZugbereichTrain area
σdσd
DruckbereichPrint area
DD
Detaildetail
FF
KraftPower
RR
WiderstandResistance
RDruckRPrint
Brückenwiderstand aller in Reihe verbundener, auf Druck beanspruchter DehnungsmessstreifenBridge resistance of all strain gauges connected in series and subjected to compression
RZugTrain
Brückenwiderstand aller in Reihe verbundener, auf Zug beanspruchter DehnungsmessstreifenBridge resistance of all strain gauges connected in series and subjected to tensile stress
UU
UmkehrbereichReversal area
U0U0
feste Spannungfixed voltage
UmTo
MessspannungMeasuring voltage
WW
Weg/strecke der Biegung/AuslenkungPath/distance of bending/deflection

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102019102913 A1 [0003]DE 102019102913 A1 [0003]
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  • US 2016/0198576 A1 [0003]US 2016/0198576 A1 [0003]

Claims (12)

Greifelement zum Einsatz in der Robotik und Kobotik dadurch gekennzeichnet, dass das Greifelement (5a, 5b) wenigstens teilweise als Mehrfachbiegebalken (9, 19) ausgebildet ist, so dass ein im Wesentlichen paralleles Greifen ermöglicht wird.Gripping element for use in robotics and cobotics, characterized in that the gripping element (5a, 5b) is at least partially designed as a multiple bending beam (9, 19), so that essentially parallel gripping is possible. Greifelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrfachbiegebalken (9, 19) aus im Vergleich zu ihrer länglichen Erstreckung dünnen einzelnen Balken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) besteht.Gripping element according to Claim 1 , characterized in that the multiple bending beam (9, 19) consists of individual beams (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) which are thin compared to their elongated extent. Greifelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrfachbiegebalken (9, 19) aus mindestens drei einzelnen Balken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) besteht.Gripping element according to Claim 1 or 2 , characterized in that the multiple bending beam (9, 19) consists of at least three individual beams (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g). Greifelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeden Balken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) des Mehrfachbiegebalkens (9, 19) mehrere Dehnungsmessstreifen (23, 25) eingebettet sind, so dass daraus eine mechanische Verstärkung des Greifelements (5a, 5b) resultiert.Gripping element according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of strain gauges (23, 25) are embedded in each beam (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) of the multiple bending beam (9, 19), so that this results in a mechanical reinforcement of the gripping element (5a, 5b). Greifelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (23, 25) aus Widerstandsdraht, insbesondere Konstantandraht, bestehen.Gripping element according to Claim 4 , characterized in that the strain gauges (23, 25) consist of resistance wire, in particular constantan wire. Verfahren zur Herstellung eines Greifelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche mittels additiven Drucks/3D-Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifelement (5a, 5b) wenigstens teilweise als Mehrfachbiegebalken (9, 19) ausgebildet wird, so dass ein im Wesentlichen paralleles Greifen ermöglicht wird.Method for producing a gripping element according to one of the preceding claims by means of additive printing/3D printing, characterized in that the gripping element (5a, 5b) is at least partially designed as a multiple bending beam (9, 19), so that a substantially parallel gripping is made possible. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrfachbiegebalken (9, 19) aus im Vergleich zu ihrer länglichen Erstreckung dünnen einzelnen Balken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) gefertigt wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the multiple bending beam (9, 19) is made of individual beams (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) which are thin compared to their elongated extent. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrfachbiegebalken (9, 19) aus mindestens drei einzelnen Biegebalken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) gebildet wird.Procedure according to Claim 6 or 7 , characterized in that the multiple bending beam (9, 19) is formed from at least three individual bending beams (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Greifelement (5a, 5b) mittels additiver Fertigung in Form eines einteiligen Bauteils hergestellt wird.Method according to one of the Claims 6 until 8 , characterized in that the gripping element (5a, 5b) is manufactured by additive manufacturing in the form of a one-piece component. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während der schichtweisen additiven Fertigung des Greifelements (5a, 5b) in jeden Balken (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g) mehrere Dehnungsmessstreifen (23, 25) eingebettet werden, so dass eine mechanische Verstärkung des Greifelements (5a, 5b) erfolgt.Method according to one of the Claims 6 until 9 , characterized in that during the layer-by-layer additive manufacturing of the gripping element (5a, 5b) a plurality of strain gauges (23, 25) are embedded in each beam (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g), so that a mechanical reinforcement of the gripping element (5a, 5b) takes place. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass während der schichtweisen additiven Fertigung des Greifelements (5a, 5b) an Oberseite und Unterseite jedes Balkens (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g), vorzugsweise mit einer darüberliegenden wenigstens einen Schutzschicht Dehnungsmessstreifen (23, 25) eingebettet werden.Procedure according to Claim 10 , characterized in that during the layer-by-layer additive manufacturing of the gripping element (5a, 5b), strain gauges (23, 25) are embedded on the top and bottom of each beam (9a, 9b, 9c, 9d; 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, 19g), preferably with at least one protective layer lying thereover. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (23, 25) aus einem Widerstandsdraht, vorzugsweise Endlosdraht, insbesondere Konstantandraht, hergestellt werden.Procedure according to Claim 10 or 11 , characterized in that the strain gauges (23, 25) are made of a resistance wire, preferably endless wire, in particular constantan wire.
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