Investigation and development of a flexible gripper with adaptable finger geometry

Abstract

Das zuverlässige und schonende Greifen ist ein Hauptanliegen bei der Entwicklung von neuartigen Greifvorrichtungen. Je größer die Kontaktfläche zwischen dem Greifer und dem Greifobjekt ist, desto schonender und zuverlässiger ist der Greifvorgang. Um dieses Ziel zu erreichen wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Untersuchungen zu adaptiven passiven Greifern durchgeführt. Ein neuer Forschungszweig im Bereich selbstadaptiver Greifer sind Greifer mit nachgiebigen blattfederartigen Greifelementen (Greiferfinger) Die Funktionsweise basiert auf dem elastischen Ausknicken der Greifelemente infolge einer translatorische Antriebsbewegung Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung des Greifvorgangs, indem die Kontaktlänge zwischen den blattfederartigen Greiferfingern und dem zu greifenden Objekt deutlich erhöht wird. Um diese Aufgabenstellung zu lösen, muss eine geeignete Greifergeometrie für ein gegebenes Greifobjekt berechnet werden. Die gezielte Berechnung der erfoderlichen Greifergeometrie für ein bekanntes Greifobjekt ist nicht möglich. Daher wurde als Lösungsansatz die umkehrte Richtung gewählt. Für eine definierte Greifgeometrie wird die Gestalt des dazu passenden “idealen” Greifobjektes ermittelt und anschließend mit der Gestalt zu greifenden Objektes verglichen. Bei Gestaltabweichungen wird die Greifergeometrie iterative verändert, bis seine geeignete Greifergeometrie gefunden wurde. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Ermittlung des “idealen” Greifobjektes behandelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der für eine vorgegebene Greifergeometrie die Gestalt eines runden bzw. elliptischen Objektes ermittelt. Der Algorithmus verwendet als Eingabedaten die Biegelinien der elastisch ausgeknickten Greiffinger unter Berücksichtigung unterschiedlicher Randbedingungen. Als Ausgabedaten liefert der Algorithmus die Gestalt des passenden Greifobjektes zurück. Für quadratische bzw. rechteckige sowie für dreieckige Objekte wurden unterschiedliche Greifgeometrien untersucht. Außerdem wird für quadratische und rechteckige Objekte das Lösungskonzept für die Entwicklung eines weiteren Algorithmus beschrieben. In Kapitel 1 wird eine Klassifizierung von Greifern basierend auf der Anpassungsfähigkeit vorgestellt. In Kapitel 2 werden Lösungskonzepte, Modelle und Theorien vorgestellt. In Kapitel 3 werden Ablaufdiagramme der Algorithmen dargestellt. In Kapitel 4 wird die Entwicklung des Algorithmus für elliptische Objekte und deren Betriebsmodi beschrieben. In Kapitel 5 werden Greifgeometrien für quadratische bzw. Rechteckige sowie für dreieckige Objekte analysiert und die Ideen eines Algorithmus für quadratisch bzw. rechteckige Objekte beschrieben. In Kapitel 6 wird ein kurzer Überblick über die zukünftige Arbeiten.

Reliable and gentle gripping is a major concern in the development of new gripping devices. The larger contact surface between the gripper and the gripping object, the gentler and more reliable the gripping process. In order to achieve this goal, further investigations on adaptive passive grippers have been carried out in the recent decades. A new branch of research in the field of self-adaptive grippers are compliant leaf-spring-like gripping elements (gripper fingers). Its mode of operation is based on the elastic buckling of the gripping elements as a result of a translatory drive movement. The present work focuses on improving the gripping process by increasing significantly the contact length between the compliant leaf-spring-like gripper fingers and the object to be gripped. In order to solve this task, a suitable gripper geometry for a given gripping object should be calculated The specific calculation of the required gripper geometry for a known gripping object is not possible; therefore, this work aims in the opposite direction. For a defined gripping geometry, the shape of the matching “ideal” gripping object is determined and then compared with the desired object to be gripped. In case of a deviation in the size, the gripper geometry is iteratively changed until its suitable gripper geometry has been found. In the present work, the determination of the “ideal” gripping object is the first task to deal with. An algorithm has been developed to determine the shape of a round-elliptical object for a given gripper geometry. The algorithm uses as data input the bend lines of the compliant twogripper finger under different boundary conditions. As data output, the algorithm returns the shape of the matching gripping object. For square-rectangular and triangular objects, different gripping geometries have been investigated. Furthermore, for square-rectangular objects, solution concepts for the development of an algorithm is described. In chapter 1, a classification based on adaptability is presented. In chapter 2, solution concepts, models and theories involved are introduced. In chapter 3, process flow diagrams of the algorithms are presented. In chapter 4, the development of the algorithm for elliptical objects and its operation modes are described. In chapter 5, gripping geometries for square-rectangular and triangular objects are analysed and the ideas of an algorithm for square-rectangular objects are described. In chapter 6, a brief overview of the futur work is commented.