Ein Roboter greift selbstständig ein Teil aus einem Behälter mit unsortierten Gegenständen. Das ist der sogenannte Griff in die Kiste.

Die Königsdisziplin beim Heben und Greifen mit Robotern ist der sogenannte 'Griff in die Kiste', bei dem ein Roboter selbstständig ein Teil aus einem Behälter mit unsortiert gelagerten Gegenständen greift. - Bild: Fraunhofer IPA

| von Simon Nördinger

Sie wollen in ihrer Werkstatt richtig angreifen? Dann lassen Sie sich doch von Kollege Roboter unterstützen. Ein Roboterarm alleine kann jedoch noch keine Arbeit erledigen. Wie der Arm eines Menschen muss er mit Fingern – den sogenannten Greifern – ausgestattet werden. Und schon kann er vielfältige Aufgaben übernehmen. Dazu gehört kräftig zupacken und Gegenstände heben, halten oder transportieren.

1) Wie funktioniert ein Greifer für Roboter und was kann er?

Eine typische Aufgabe in der Robotik ist es, Werkstücke von Position A auf die Position B zu transportieren. Um eine Verbindung zu diesem Teil herzustellen, wird der Roboter mit einem Greifwerkzeug ausgerüstet.

Ein Greifer erledigt am Roboter die eigentliche Arbeit. So muss er Teile packen, umschließen und halten. Ganz nach Größe des Teils und wie es angepackt werden muss, sind verschiedene Lösungen erhältlich. Sogenannte Fingergreifer, die den Zwei-Finger-Griff, den Drei-Finger-Parallelgriff oder den Drei-Finger-Zentrischgriff beherrschen, können bereits einen Großteil der industriellen Applikationen ausführen.

Klassische Aufgaben für Greifer sind unter anderem das Palettieren, Verpacken oder das Beschicken von Maschinen. Bei Pick-and-Place Anwendungen werden gerne Zwei-Finger-Greifer eingesetzt. Diese lassen sich etwa mit anpassbaren Fingerspitzen ausstatten. So kann sich der Greifer besser auf seine Aufgabe einstellen und präziser zupacken.

Natürlich können Roboter auch größere Lasten greifen und damit den Menschen besonders entlasten. Kistengreifer kommen häufig im Versand zum Einsatz. Sie werden an einen Kran montiert und können so auf einfache Weise Kisten und Kartonagen durch die Lagerhalle fahren.

Prinzipiell gibt es Greifer für jede erdenkliche Anwendung am Roboter. Vakuumsauger können Glasscheiben mit Druckluft greifen und zur Weiterverarbeitung dem Mitarbeiter auf der richtigen Position halten.

Vakuumgreifer können aber sichtbare Spuren hinterlassen an den Ansatzpunkten der Saugnäpfe. Hier können adhäsive Greifer Abhilfe schaffen.

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2) Was bedeutet Greifkraft?

Die Greifkraft beschreibt, wie viel Kraft aufgewendet werden muss, um ein Objekt sicher zu greifen. Sie wird in Newton gemessen. Ein Mensch kann Gegenstände ja auch nur sicher hochheben, wenn er die dazu nötige Kraft aufbringen kann.

Um die Greifkraft zu ermitteln, muss zunächst grundlegend geklärt werden, was für einen Gegenstand der Roboter fassen soll. Wie groß und schwer ist er? Wie ist das Objekt in Bezug auf Form und Festigkeit geschaffen? Eine Karosserie muss schließlich anders angepackt werden als eine winzige Schraube bei der automatisierten Kommissionierung.

Die Kraft, die ein Greifer aufbringt, muss also groß genug sein, das Werkstück hochzuheben. Gleichzeitig darf sie aber auch nicht das Werkstück verformen oder beschädigen. Greifsysteme lassen sich von daher in zwei Gruppen einteilen: mit oder ohne integrierte Sensoren.

Muss ein Greifwerkzeug stets dasselbe Teil handhaben, lässt sich der Greifer auf eine bestimmte für den Einsatzfall perfekte Greifkraft voreinstellen. Ein Einsatz ohne Sensoren ist auch dann möglich, wenn der zu greifende Gegenstand stabil genug ist und er so beim Aufnehmen nicht zerstört werden kann.

Ist das Werkstück hingegen empfindlich, müssen die auftretenden Kräfte ständig kontrolliert werden. Kraftmesssensoren fragen diese Daten ständig ab und übermitteln sie in das Steuerungsprogramm. Auch Kamerasysteme können dem Greifer helfen, sanfter und somit passend zuzupacken.

Video: Die wichtigsten Greifer-Trends für Roboter und bei der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine

Unser Kollege Wolfgang Kräußlich war auf der Motek – einer Fachmesse für Produktions- und Montageautomatisierung - unterwegs und hat neue Greifer von Schunk, Zimmer, Onrobot und Schmalz unter die Lupe genommen. Folgen Sie gerne seinem Youtube-Kanal 'Next Robotics'.

3) Welche Arten von Greifern für Roboter gibt es?

Grundlegend lassen sich die Greifer in vier verschiedene Systeme einordnen. Es gibt

  • mechanische,
  • pneumatische,
  • magnetische und
  • adhäsive Greifer.

Sie unterscheiden sich in ihrer jeweiligen Funktionsweise.

Mechanische Greifer können entweder einer Greifzange oder einer menschlichen Hand ähneln. Grundsätzlich halten sie einen Gegenstand, indem sie ihn mit der notwendigen Kraft einklemmen. Mit Sensoren ausgestattet können sie selbst sensible Teile aufnehmen.

Drei-Finger-Robotergreifer beherrschen beispielsweise vier verschiedene Griffarten: Pinzetten-, Scheren-, Spreiz- und Grundgriff. Dazu sind die Finger einzeln ansteuerbar. Diese Greifer lassen sich unter anderem in Pick-and-Place-, Palettierungs- oder Maschinenbeschickungsapplikationen einsetzen.

Pneumatische Greifer besitzen Vakuumsauger oder Saugnäpfe und können das Objekt mit Druckluft ansaugen, um es zu transportieren oder weiterzuverarbeiten. Werkstücke können aber auch durch Druck eingeklemmt werden.

Pneumatische Sauger sind vielfältig einsetzbar, vor allem wenn mit den Werkstücken besonders sorgsam umgegangen werden muss. Dies ist bei der Handhabung von Glasscheiben oder in der CD-Produktion der Fall. Auch in der Verpackungsindustrie sind Vakuumsauger häufig im Einsatz, da sie sich besser Form-labilen Produkten anpassen können.

Magnetische Greifer können mit eisernen, stählernen und anderen ferromagnetischen Gegenständen mit beschränktem Gewicht interagieren. Es gibt zwei verschiedene Greifsysteme: Permanentmagnet-Greifer und Elektromagnet-Greifer.

Im Jahr 2018 präsentierte Enrico Krog Iversen (rechts), CEO von Onrobot, erstmals einen adhäsiven Greifer für kollaborierende Roboter (im Bild links zu sehen). Der Greifer entstand aus einer Zusammenarbeit mit der NASA.
Im Jahr 2018 präsentierte Enrico Krog Iversen (rechts), CEO von Onrobot, erstmals einen adhäsiven Greifer für kollaborierende Roboter (im Bild links zu sehen). Der Greifer entstand aus einer Zusammenarbeit mit der NASA. - Bild: Nördinger

Beim Permanentmagnet-Greifer lässt sich der Magnet nicht abstellen. Das Objekt muss mit einem anderen System abgenommen werden. Der Elektromagnet-Greifer hingegen kann durch elektrische Energie an- beziehungsweise ausgeschaltet werden. So besitzt er die Fähigkeit, das Objekt abzulegen und auch wieder aufzunehmen.

Typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise das Aufnehmen von Teilen aus Pressen, das Entstapeln von Produkten aus Kisten oder das Zusammensetzen von Stahlteilen.

Adhäsive Greifer eignen sich besonders, wenn Vakuumgreifer an ihre Grenzen stoßen. Vakuumgreifer oder Saugnäpfe können nämlich Spuren hinterlassen. Das darf bei empfindlichen Oberflächen nicht passieren.

Das erste marktreife adhäsive System ist der sogenannte Gecko-Gripper, der vom NASA Jet Propulsion Laboratory und der Stanford University konzipiert wurde. Unzählige mikroskopisch kleine Kunsthärchen auf den Oberflächen des Greifers bleiben wegen der starken Van-der-Waals-Kräfte an einem angedrückten Objekt haften.

Im Gegensatz zu Vakuumsaugern kann der Gecko-Gripper auch poröse oder löchrige Materialien, wie Leiterplatinen aufnehmen. Die Tragkraft beträgt bis zu acht Kilogramm, ist aber von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig. Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass es zum Anheben des Werkstücks nur leichten Druck benötigt, damit es zuverlässig anhaftet.

Heute wird der adhäsive Greifer vom dänischen Unternehmen Onrobot weiterentwickelt und vertrieben. Er eignet sich für verschiedenste Roboter.

Video: Diese Greiferhand ist der menschlichen Hand nachempfunden

Unser Kollege Wolfgang Kräußlich stellt in seinem Youtube-Kanal 'Next Robotics' die Zukunft der Greiftechnik vor: mit einer pneumatisch betriebenen Greiferhand für Roboter.

4) Was kostet ein Greifer?

Hier ist ganz klar die Funktion des Greifers entscheidend. Eine, lapidar gesprochen, einfache, automatisierte Greifzange ist weitaus weniger kostenintensiv als beispielsweise eine komplexe, roboterbasierte Verpackungsanlage.

Einsteiger-Applikationen im Bereich Pick-and-Place oder für das Bestücken von Maschinen brauchen neben dem Roboter oft nicht viel mehr als einen Zwei-Finger-Greifer und können rasch und einfach integriert werden. Eine Faustregel besagt, dass der Preis des Roboterarms in der Regel ein Drittel der Anschaffungskosten beträgt.

Ein Zwei-Finger-Greifer der kanadischen Firma Robotiq ist ab rund 4400 Euro ohne Roboter erhältlich. Dieser kann bis zu 5 Kilogramm heben und hat eine Kraft von bis zu 235 Newton in den Fingerspitzen.

Der günstigste Cobot-Greifer des deutschen Herstellers Schunk, der speziell für Applikationen an den Leichtbaurobotern von Universal Robots ausgelegt ist, kostet 2900 Euro.

Auch das Unternehmen Onrobot aus Dänemark bietet einen Zwei-Finger-Greifer zum Preis von 3500 Euro für Endkunden an. Er lässt sich laut Hersteller per Plug-and-play am Roboterarm installieren.

Umso komplexer die Anwendung ist, zum Beispiel beim Bin-Picking, desto mehr Peripheriegeräte wie Kamerasysteme, erweiterte Sensorik oder speziellere Greifersysteme werden benötigt. Dadurch steigt auch der Preis.

Nach oben sind beim Preis keine Grenzen gesetzt. Denn es gibt auch Systeme, bei denen Künstliche Intelligenz mitarbeitet. Diese intelligenten Greifwerkzeuge lernen selbstständig, was zu tun ist und wie sie mit dem Industrieroboter interagieren müssen.

Der Eintrag "freemium_overlay_form_kro" existiert leider nicht.