AT503728B1 - Roboterarm - Google Patents

Description

2 AT 503 728 B1

Die Erfindung betrifft einen Roboterarm, welcher zumindest aus drei miteinander verketteten Schwenkhebeln gebildet ist, wobei jeder Schwenkhebel eine konstante Länge aufweist und am Ende des letzten Schwenkhebels eine schwenkbare Halterung für Werkzeuge vorgesehen ist, wobei jeder Schwenkhebel aus einer Basis, einer Stütze, einem schwenkbaren Teil und Luftmuskeln besteht, wobei Basis und schwenkbarer Teil eines Schwenkhebels an gegenüberliegenden Enden der Stütze befestigt sind, der schwenkbare Teil gegenüber der Stütze um eine oder zwei Achsen drehbar gelagert ist, wobei zwischen Basis und schwenkbarem Teil eines Schwenkhebels mehrere Luftmuskel an unterschiedlichen Seiten von Schwenkachsen des schwenkbaren Teils angeordnet sind und wobei am schwenkbaren Teil eines Schwenkhebels die Basis des nächsten Schwenkhebels starr befestigt ist.

Die DE 3630822 C2 (Bridgestone) zeigt einen um genau eine Achse schwenkbaren Arm für einen Industrieroboter. Der Arm ist an einer drehbar gelagerten Riemenscheibe befestigt, welche von einem Seil umspannt wird, wobei an den beiden von der Riemenscheibe wegführenden Enden jeweils ein sogenannter Luftmuskel angeordnet ist. Ein Luftmuskel besteht aus einem schlauchartigen Mittelteil und zwei plattenartigen Abschlussstücken, von denen zumindest eines mit einem Luftdurchlass versehen ist. Wenn der schlauchartige Mittelteil aufgeblasen wird, so erweitert er sich im Umfang und verkürzt sich in seiner Länge. Dieses Verkürzen der Länge kann unter Überwindung einer äußeren Zugkraft erfolgen. Wenn im Anwendungsfall entsprechend der DE 3630822 ein Luftmuskel anzieht, so wird der Arm in eine Drehrichtung geschwenkt; wenn dieser Luftmuskel nachgelassen wird, und der zweite Luftmuskel anzieht, so wird der Arm in die entgegengesetzte Richtung geschwenkt. Der Arm ist „tastfähig“ in dem Sinn, dass er bei Anliegen einer äußere Kraft von sich aus mit einer weichen Charakteristik elastisch nachgibt, wodurch unter Zuhilfenahme von Positionssensoren und der Berücksichtigung des in den Luftmuskeln anliegenden Drucks auf die Größe der äußeren Kraft rückgeschlossen werden kann. Der vorgeschlagene Arm für Industrieroboter hat sich nicht durchgesetzt. Da das elastische Nachgeben hier unkontrolliert erfolgt, hat man eher steifere Antriebsprinzipien, beispielsweise mittels Elektromotoren oder Hydraulikzylindern bevorzugt, und erforderlichenfalls ein „weiches Greifen“ durch separate Griffteile verwirklicht.

Die US 4 984 568 zeigt einen mittels mehreren, zueinander schwenkbaren Hydraulikzylindern angetriebenen, zur Rückenmassage dienenden Roboterarm. Er wird am seitlichen Rahmenteil eines Bettegestells befestigt, ragt über die Liegefläche des Bettes hinaus, und drückt auf den Rücken eines auf dem Bett auf dem Bauch liegenden Menschen. Der Roboterarm ist von dem auf dem Bett liegenden Menschen mittels einer Steuereinheit steuerbar Massageroboter dieser Art haben mehrere Nachteile. Hydraulikanlagen sind kostspielig, schwer, verbreiten oft einen Geruch nach Hydrauliköl und bringen die Gefahr der Verschmutzung durch auslaufendes Hydrauliköl mit sich. Als Massageroboter sind sie auch deshalb gefährlich, da bei einem Fehler in der Hydraulikanlage sehr rasch, sehr gefährlich große Kräfte auf den behandelten Menschen wirken können.

Die DE 195 24 666 C1 zeigt einen Massageroboter, welcher ebenfalls seitlich am Bett angeordnet ist. Der über lineare Antriebe in drei Raumkoordinaten bewegliche Werkzeughalter kann verschiedene Massagemittel halten, und damit auf den zu massierenden Menschen einwirken. Für die Steuerung stehen verschiedene Programme zur Auswahl. Die Einwirkung des auf den Menschen ist Kraftgeregelt. Für die Antriebe sind Pneumatikzylinder oder Elektromotoren vorgesehen. Um bei Fehlern der Regelung Gefährdungen der zu massierenden Person auszuschließen sind in der Anlage Sollbruchstellen vorgesehen, welche bei Überschreiten von zulässigen Kräften brechen.

Massageroboter in sehr ähnlicher Bauart zeigen auch die US 5083552, und die US 2001/0014781A1. Bei entsprechend guter Steuerung können diese Massageroboter durchaus gut massieren. Sie sind aber durchwegs sehr kostspielig in der Anschaffung, beanspruchen viel Platz, und wirken bedrohlich. Zudem sind sie auf Grund der kaskadenartig aufeinander angeordneten Linearführungen in Bezug auf manche Kräfte, wie sie beim Bewegen durch Men- 3 AT 503 728 B1 sehen im Zusammenhang mit der Massage auftreten können, sehr beschädigungsanfällig.

Die DE 101 39 807 A1 zeigt einen Roboterarm, welcher aus mehreren miteinander verketteten, jeweils in einer Ebene schwenkbar aneinander gelagerten Hebeln gebildet wird. Der Antrieb der einzelnen Hebel erfolgt über elektrische, pneumatische oder hydraulisch betätigte Hubstangeneinrichtungen. Die Art des Antriebes bedingt hohes Gewicht, geringe Robustheit und auch geringe Sicherheit dagegen, dass der Roboterarm etwas beschädigt oder jemand verletzt. Weiches und gleichzeitig ruckfreies Greifen ist wenn überhaupt nur mit extremem Steuerungsaufwand verwirklichbar.

Die BR 9303695 A (Tarcisio...) zeigt ebenfalls einen Roboterarm, welcher aus mehreren miteinander verketteten, jeweils in einer Ebene schwenkbar aneinander gelagerten Hebeln besteht. Die Bewegung der einzelnen Hebel gegenüber dem jeweiligen zuvor angeordneten Hebel wird jeweils durch ein Paar von entgegengesetzt am Hebel angreifenden Luftmuskeln eingestellt. Die Bauweise ist robust, leicht und der Roboterarm ist befähigt „weich“ zu greifen. Zu wünschen übrig lässt vor allem die mangelnde Flexibilität des Armes bezüglich Anpassbarkeit an verschiedenartige Anwendungen.

Die WO 2003/080297 A1 zeigt einen Roboterarm, dessen einzelne Hebel ebenfalls mittels Luftmuskeln angetrieben werden. Der Arm trägt auch eine Nachbildung einer menschlichen Hand einschließlich Fingern und Daumen, welche über Sehnen ebenfalls mittels Lustmuskeln angetrieben bewegbar sind. Das Konzept ist interessant und beeindruckend. Für die massenhafte Anwendung als Hilfsgerät ist ein derartiger Arm aber sicher zu teuer und vermutlich auch zu schwierig zu steuern und zu wenig robust.

Der Erfinder hat sich das Ziel gesetzt, einen Roboterarm zur Verfügung zu stellen, welcher in einer Vielzahl von privaten Haushalten anwendbar ist. Das bedeutet, dass ein Roboterarm geschaffen werden muss, welcher kostengünstig, sicher, robust, klein und leicht ist. Vor allem muss der Roboterarm aktiv und passiv sicher sein. D.h. es muss mit hoher Sicherheit verhindert werden, dass der Roboterarm durch hohe Kräfte etwas beschädigt oder jemanden verletzt, und es muss mit hoher Sicherheit verhindert werden können, dass der Roboterarm selbst durch Schläge, Vibrationen oder falsche Belastungen beschädigt werden kann. Zudem muss der Roboterarm einfach bedienbar sein. Gegenüber Roboterarmen, welche eine oder mehrere dieser Bedingungen schon zu erfüllen im Stande sind, muss der zu schaffende Roboterarm für eine größere Anzahl von verschiedenen Anwendungen ersetzbar sein.

Zum Lösen der Aufgabe wird ein Roboterarm vorgeschlagen, welcher folgende konstruktiven Merkmale aufweist: - Der Roboterarm wird aus mindestens drei verketteten Schwenkhebeln gebildet. - Jeder Schwenkhebel hat eine konstante Länge, und besteht aus einer Stütze, mit deren erstem Ende eine Basis starr verbunden ist, und an deren zweiten Ende ein schwenkbarer Teil angeordnet ist. - Die Basis des dritten Schwenkhebels ist starr mit dem schwenkbaren Teil des zweiten Schwenkhebels verbunden. Die Basis des zweiten Schwenkhebels ist starr mit dem schwenkbaren Teil des ersten Schwenkhebels verbunden. - Zumindest beim ersten und beim dritten Schwenkhebel ist der schwenkbare Teil gegenüber der Basis um zwei nicht parallel zueinander liegende Achsen schwenkbar. - Zwischen Basis und schwenkbarem Teil eines Schwenkhebels sind Luftmuskeln angeordnet, mit Hilfe derer die jeweilige Schwenkstellung aktiv eingestellt werden kann. 4 AT 503 728 B1 - An dem schwenkbaren Teil des dritten Schwenkhebels ist ein Werkzeughalter angeordnet, an welchem verschiedene Werkzeuge angeordnet werden können. - Die Lage der Basis des zweiten Schwenkhebels an dem schwenkbaren Teil des ersten Schwenkhebels ist in verschiedenen Ausrichtungen montierbar.

Vorteilhafte Details des mechanischen Aufbaues und vorteilhafte bereitzustellende Eigenschaften der Steuerung des Roboterarmes werden unter Zuhilfenahme der Zeichnung beschrieben:

Fig. 1: ist eine Prinzipdarstellung eines beispielhaften erfindungsgemäß ausgeführten Roboterarms in Seitenansicht. Einzelne Details sind in Schnittansicht gezeigt.

Fig. 2: zeigt einen möglichen Ablauf der Informationsverarbeitung bei der Anpassung der Iststellung des zu bewegenden Werkzeughalters an eine Sollstellung. In den einzelnen Feldern sind Zwischenergebnisse der Informationsverarbeitung angegeben. Die mit Pfeilspitzen versehen Linien bedeuten die Aufnahme von Daten von Sensoren, oder Berechungsvorgänge.

Die Basis 1.1 des ersten Schwenkhebels 1 trägt den gesamten in Fig. 1 dargestellten Roboterarm. Sie kann direkt, oder über fixierbare Rollen auf dem Boden eines Raumes stehen. Sie kann aber auch an einem Gestell an einer Wand, einer Maschine oder einem Einrichtungsgegenstand befestigt sein. Sie kann auch auf einer Plattform angeordnet sein, welche sich gesteuert im Raum bewegt oder maschinell gegenüber einer weiteren fix im Raum stehenden Basis um eine vertikale Achse drehbar ist. Von der Basis 1.1 ragt die mit ihr starr verbundene Stütze 1.2 empor und endet in der Kugel 1.2.1 eines Kugel-Pfanne Gelenks. Die Pfanne dieses Kugel-Pfanne-Gelenks bildet den schwenkbaren Teil 1.4 des ersten Schwenkhebels 1. Zwischen Basis 1.1 und schwenkbarem Teil 1.4 sind drei parallel zur Stütze 1.2 ausgerichtete Luftmuskeln 1.3 angeordnet. Ihre Befestigungspunkte am schwenkbaren Teil 1.4 bilden die Eckpunkte eines Dreiecks in dessen Mitte die Kugel 1.2.1 angeordnet ist. Durch verkürzen von einem oder zwei Luftmuskeln 1.3, und durch dehnen der beiden anderen Luftmuskeln bzw. des dritten Luftmuskels wird der schwenkbare Teil 1.4 um den Mittelpunkt der Kugel 1.2.1 um all jene Achsen schwenkbar, welche durch den Mittelpunkt der Kugel 1.2.1 verlaufen und normal zur Ausrichtung der Luftmuskeln liegen. Da jede der damit möglichen Schwenkbewegungen aus Schwenkbewegungen um genau zwei Achsen zusammengesetzt gedacht werden kann heißt das in der für Roboterarme üblichen Beschreibungsweise, dass der schwenkbare Teil 1.4 um zwei Achsen schwenkbar ist. An Drehbewegung um eine dritte Achse, nämlich jene, welche zu den Luftmuskeln parallel liegt, wird der schwenkbare Teil 1.4 durch einen Anschlag gehindert. Dieser Anschlag wird durch einen starr mit schwenkbaren Teil 1.4 verbundenen Stift 1.4.1, welcher in eine Nut an der Oberfläche der Kugel 1.2.1 ragt gebildet. Diese Nut an der Oberfläche der Kugel 1.2.1 liegt in einer solchen Symmetrieebene der Kugel, welche zu der Ausrichtung der Luftmuskeln 1.3 parallel liegt. Drehbewegung um diese dritte Achse könnte durch die zueinander parallel ausgerichteten Luftmuskeln 1.3 nicht ausreichend gut gesteuert werden, und wird daher durch den beschriebenen Anschlag ganz vermieden. Die Kugel hat in der Längsachse eine Bohrung als Kabeldurchführung.

An Stelle des beschriebenen Kugel-Pfanne-Gelenkes könnte auch ein Kardangelenkangewen-det werden, wobei an Stelle einer Kugel zwei kreiszylinderförmige Achsbolzen verwendet werden. Ein erster Achsbolzen ist zur Stütze normal ausgerichtet. Der zweite Achsbolzen ist zu diesem normal ausgerichtet und um dessen Achse schwenkbar gelagert. Der schwenkbare Teil ist am zweiten Achsbolzen um dessen Achse schwenkbar befestigt. Über Zwischenstücke 1.4.2 und 2.1.1 ist die Basis 2.1 des zweiten Schwenkhebels 2 starr mit dem schwenkbaren Teil 1.4 des ersten Schwenkhebels 1 verbunden. Die Zwischenstücke 1.4.2 und 2.1.1 können in mehreren verschiedenen Stellungen aneinander montiert werden, womit die Winkellage zwischen dem schwenkbaren Teil 1.4 des ersten Schwenkhebels 1 und der 5 AT 503 728 B1

Basis 2.1 des zweiten Schenkhebels 2, und damit die optimale Ausganglage der beiden Schwenkhebel für den jeweiligen Einsatzzweck zueinander einstellbar ist.

Im dargestellten Beispiel ist der schwenkbare Teil 2.4. des zweiten Schwenkhebels 2 gegenüber der Basis 2.1 dieses Schwenkhebels nur um eine Achse drehbar. Der schwenkbare Teil 2.4 ist deshalb an einem zur Stütze 2.2 dieses Schwenkhebels normal ausgerichteten, zylindrischen Achsbolzen gelagert, und nicht wie zuvor beschrieben an einer Kugel.

Der dritte Schwenkhebel 3 ist in sich gleich aufgebaut wie der erste Schwenkhebel 1. Sein schwenkbarer Teil 3.4 ist also gegenüber seiner Basis 3.1 um zwei Achsen schwenkbar.

Die Basis 3.1 des dritten Schwenkhebels ist unmittelbar mit dem schwenkbaren Teil 2.4 des zweiten Schwenkhebels verbunden.

Der schwenkbare Teil 3.4 des dritten Schwenkhebels ist mit einem Werkzeugende 4, am Besten in Form einer arretierbaren Steckvorrichtung für verschiedene Werkzeuge ausgestattet. Werkzeuge in diesem Sinne können verschiedene elektrisch oder pneumatisch steuerbare Greifer oder auch starre Gegenstände wie Steckvorrichtungen, Haken, Hebel Schöpfer, Stemmeisen, Schraubenschlüssel etc. sein. Die Greifer können wiederum Werkzeuge halten wie z.B. verschiedene Massagegeräte, Putztücher, normale Handwerkzeuge, Telefonhörer etc..

In Anpassung an die zu erwartenden Momentenbelastungen sollte Schwenkhebel 1 stärker ausgeführt sein als Schwenkhebel 2, und Schwenkhebel 2 stärker als Schwenkhebel 3. Damit ist der Schwenkhebel 1 auch der schwerste, und der Schwenkhebel 3 der leichteste. Das bringt gegen einer anderen Gewichtsverteilung auch den Vorteil, dass höhere Beschleunigung des Werkzeugendes 4 möglich sind.

Die beschriebene Aufeinanderfolge „zweiachsiges Gelenk - Hebel konstanter Länge -einachsiges Gelenk - Hebel konstanter Länge - zweiachsiges Gelenk“ entspricht annähernd genau der Aufeinanderfolge „Schultergelenk - Oberarm - Ellbogengelenk - Unterarm - Handgelenk“ des menschlichen Armes. Deshalb werden die Bewegungsmöglichkeiten des so ausgebildeten Roboterarms durch die ihn benutzenden Menschen sehr schnell intuitiv sehr gut verstanden, und daher auch ohne lange Einarbeitungszeit optimal eingesetzt. Damit wird die beschriebene Verkettung von in sich nicht längenveränderbaren Schwenkhebeln mit dazwischen liegenden zwei- bzw. einachsigen Gelenken ein extrem guter Kompromiss zwischen der Vielfalt der Bewegungsmöglichkeiten des Werkzeugendes einerseits, und geringen Kosten andererseits.

Luftmuskeln haben gegenüber Stellelementen wie fluidbetriebenen Zylindern oder Elektromotoren die Nachteile, dass sie nur in eine Richtung gezielt steuerbar Kraft ausüben können, und dass damit bei etwa gleichem Aufwand nur eine deutlich schlechtere Positioniergenauigkeit erreichbar ist. Vor allem wegen dem zweiten dieser Nachteile hat man die Vorteile der Luftmuskel für Roboteranwendungen viel zu wenig gesehen, und sie daher kaum eingesetzt.

Vor allem bei Anwendungen für Roboterarme, welche zum persönliche Bedarf von Menschen dienen, und einfache Arbeiten verrichten soiien, reicht die mit Luftmuskeln unkompliziert erreichbare Stellgenauigkeit durchaus aus. Arbeiten an die dabei zu denken ist sind beispielsweise: führen von Massagegeräten, halten von Telefonhörern, führen eines Staubsaugers, Fenster putzen, lackieren, halten von Gegenständen wie beispielsweise Werkzeugablagen in einer vorgegebenen Position, etc.. Bei Anwendungen dieser Art ist die relativ schlechte Positioniergenauigkeit von Luftmuskeln überhaupt kein Nachteil.

Die Anwendung von Luftmuskeln als Stellelement für Roboterarme bietet eine ganze Reihe von wichtigen Vorteilen:

Weicher Anschlag 6 AT 503 728 B1 - Dadurch, dass Bewegung des Roboterarms durch das volumselastische Medium Luft hervorgerufen wird, ist die Kraft-Weg-Charakteristik weichelastisch, und die Einwirkung auf einen äußeren Gegenstand kann sich nicht schlagartig von einer kleinen Kraft auf eine große Kraft ändern. - Extreme Robustheit (passive Sicherheit, Selbstschutz)

Im Vergleich zu den verbreiteten Industrierobotern mit Elektromotoren und starren Getrieben können die weichelastischen Luftmuskeln Schläge auf den Roboter selbst abfangen und dämpfen. Dadurch wird der Arm trotz Leichtbau extrem robust gegenüber Spitzenbelastungen und Vibrationen. Die Luftmuskeln selbst, sind verglichen mit Kolben-Zylinder-Stellelemente ebenfalls sehr robust, da sie keine Flächen aufweisen, an denen Teile aneinander gleiten und dichten, und da sie in Folge ihrer Flexibilität als Schlauch durch anstoßende Gegenstände praktisch nicht zu beschädigen sind. - Kraftgesteuertes Bewegen (aktive Sicherheit, Fremdschutz)

Indem die Stellung der einzelnen Schwenkhebel und der in den einzelnen Luftmuskeln anliegende Druck gemessen wird, kann unter Beachtung der Druck-Weg-Diagramme der einzelnen Luftmuskeln und der herrschenden Hebelverhältnisse durch eine Steuereinheit rückgerechnet werden, welche äußere Kraft am Werkzeugende 4 anliegt. D.h. die nach außen ausgeübte Kraft kann festgestellt werden, ohne dass dafür extra Kraftsensoren erforderlich sind. Durch die Steuerung kann vorgegeben werden, mit welcher Maximalkraft gegen einen äußeren Widerstand, der sich dem auszuführenden Bewegungsablauf entgegenstellt angedrückt werden darf. Diese Maximalkraft kann relativ sicher und gut geregelt werden, da die Verformungscharakteristik des Roboterarms eine „weichelastische“ ist, und somit kleinere von außen aufgezwungene Bewegungsstörungen nicht zu abrupten Änderungen der Kräfte im Roboterarm führen. Damit ist es übrigens auch gut möglich den Roboterarm an einem Objekt auf Druck anliegend diesem Objekt folgen zu lassen wenn sich dieses Objekt innerhalb gewisser Grenzen bewegt. Da die einzelnen Teile des Roboterarms leicht sind, stellen sie bei einer Kollision mit Menschen kaum eine Gefahr dar.

Durch Messung der ausgeübten Muskelkraft, z.B. mittels Dehnungsmessstreifen in der Wirklinie der Kraft, ist eine weitere Genauigkeitssteigerung möglich. - Sicherheit (passive Sicherheit bei Fehlfunktion)

Auch ohne Sollbruchstellen im Roboterarm vorzusehen kann sichergestellt werden, dass auch bei fehlerhafter Steuerung durch den Roboterarm keine gefährlich großen Kräfte auf in seinem Bereich befindliche Menschen ausgeübt werden, indem der Druck in den Luftmuskeln beispielsweise durch Überdruckventile begrenzt wird. - Kostengünstig

Auf Grund des einfachen Aufbaues sind Luftmuskeln kostengünstiger als Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, oder vergleichbar nutzbare elektrische Antriebe. - Leichtigkeit

Luftmuskeln haben ein wesentlich geringeres Gewicht als in der Wirkung vergleichbare Stellantriebe in gängiger anderer Bauweise.

Die Luftmuskeln werden im Normalfall unmittelbar an der Basis des Schwenkhebels befestigt, oder auf direktestem Verbindungsweg durch zugsteife Zugglieder, wie ein Stahlseil, eine Kette, oder eine Zugstange. Zum jeweiligen schwenkbaren Teil des betreffenden Schwenkhebels 7 AT 503 728 B1 sollten die Luftmuskeln ausschließlich auf direktem Weg durch Zugglieder wie beispielsweise Seile, welche einerseits am Luftmuskel, andererseits an der Basis bzw. am schwenkbaren Teil eines Schwenkhebels befestigt sind erfolgen. Alle anderen möglichen Übertragungsmechanismen, wie schwenkende Hebeln, Zahnräder, Umlenkrollen etc. bedeuten nicht nur zusätzlichen Anschaffungsaufwand, sondern sind zumeist auch gegen Beschädigungen auf Grund unsachgemäßer Behandlung oder wenig Wartung empfindlich. Nicht zuletzt sind Teile dieser Art auch für Menschen die damit in Berührung kommen können gefährlich und bedürfen sicherer Abdeckungen - welche wiederum Aufwand bedeuten und selbst beschädigt werden können.

Durch die Kombination der Luftmuskeln mit der beschriebenen Folge von drei Schwenkhebeln wird Robustheit und Sicherheit auch dadurch erreicht, dass der Roboterarm gegen starke Belastung aus annähernd jeder Richtung nachgeben kann, indem in den Gelenken bestimmungsgemäß gedreht wird, und indem die Luftmuskeln gedehnt werden. Mit dieser Bauweise ist es ohne weiteres möglich einen Roboterarm zu bauen, welcher einerseits so gefühlvoll zufassen kann, dass er einzelne Weintrauben aus einer Rebe erfassen und pflücken kann, andererseits einen Stahlgegenstand wie beispielsweise einen Meißel halten kann, auf den mit einem schweren Hammer eingeschlagen wird, ohne dass der Roboterarm dadurch beschädigt wird.

Dadurch, dass die einzelnen Schwenkhebel des Roboterarms nicht längenveränderbar sind, können die erforderlichen Leitungen für Druckluftzufuhr, Sensorsignale und elektrische Leitung für allfällige am Werkzeugende gehaltene Elektrowerkzeuge gut an Basis und schwenkbaren Teilen befestigt werden. Bei einer geringen Längenreserve zwischen den einzelnen Gelenken werden sie bei Bewegung des Roboterarms nur etwas geschwenkt, nicht aber darüber hinaus linear bewegt. Bei einer besonders eleganten Variante der Leitungsführung werden diese in den Gelenken durch Bohrungen in der Gelenkskugel oder in Gelenksbolzen durchgeführt.

Von ganz wesentlicher Bedeutung für den praktischen Nutzen des Roboterarms sind wie bei jedem Roboterarm die Möglichkeiten der Ansteuerung. Wünschenswerte, für die praktische Anwendung durch nicht professionelle Anwender wichtige und an der vorgeschlagenen Bauweise durchaus auch realisierbare Bauweisen sind beispielsweise: - Vorbereitete Weg-Zeit-Kraftprofile. - Teach-In; d.h. Einprogrammieren eines in weiterer Folge durch den Roboterarm auszuführenden Bewegungsablaufes durch einmaliges manuelles steuern der Armbewegung, unter gleichzeitiger Aufzeichnung dieses Bewegungsablaufes. - Teach-In dadurch, dass der Roboterarm im entsprechenden Modus an beliebiger Stelle durch den Programmierer angefasst wird und manuell im gewünschten, später automatisch durchzulaufenden Ablauf bewegt wird. - Editierbarkeit von einprogrammierten Bewegungsabläufen im Hinblick auf geometrische Änderungen, Geschwindigkeitsänderungen, Änderungen in Bezug auf die anzuwendenden Kräfte. - Einsteilbarkeit von sicherheitsrelevanten Begrenzungen wie maximale Geschwindigkeit, maximale Beschleunigung, maximale Kräfte. - Einsteilbarkeit von großräumiger Positionstoleranz bei gleichbleibender Anpresskraft, solange sich der Arm in Kontakt mit dem Zielobjekt befindet. Der Arm „folgt“ also dem Objekt kraftgesteuert, auch dann wenn sich das Objekt - innerhalb gewisser Grenzen - selbst bewegt. - Regelung dahingehend, dass eine eingestellte Stellung des Roboterarms automatisch wieder angefahren wird, wenn der Roboterarm in Folge einer äußeren Einwirkung wie bei-

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1. 8 AT 503 728 B1 spielsweise einem Schlag auf einen seiner beweglichen Teile aus dieser Stellung bewegt wird. Dadurch, dass die Luftmuskeln Vibrationen, welche von außen aufgebracht werden stark dämpfen, kann der Roboterarm auch gut in bzw. an Geräten verwendet werden, welche selbst vibrieren. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer Roboterarm auch in einem Auto Verwendung finden. Vor allem für jenes Teach-In, bei welchem der Roboterarm von Hand aus geführt wird und für die Kraftregelung auf Kontakt, ist die vorgeschlagene Bauweise des Roboterarms sehr vorteilhaft, da der Roboterarm sehr leicht ist, einer Bewegung kaum Reibung entgegengesetzt wird und die weichelastische Bewegungscharakteristik eine Konturenverfolgung stark vereinfacht. Durch die vorgeschlagene Kombination von Merkmalen eines Roboterarms ergibt sich ein bisher unerreicht starkes Bündel der Vorteile: Kostengünstigkeit, Robustheit, Flexibilität bezüglich der Einsatzmöglichkeiten, Ungefährlichkeit, Sicherheit und intuitives Verständnis der Bewegungsmöglichkeiten. Damit werden erstmals praktisch hilfreiche Roboterarme ermöglicht, welche für kleinere einfache Gewerbebetriebe und mit steigenden Verkaufszahlen auch für Privathaushalte wirtschaftlich sinnvoll anschaffbar sind. Patentansprüche: 1. Roboterarm, welcher zumindest aus drei miteinander verketteten Schwenkhebeln gebildet ist, wobei jeder Schwenkhebel eine konstante Länge aufweist und am Ende des letzten Schwenkhebels eine schwenkbare Halterung für Werkzeuge vorgesehen ist wobei jeder Schwenkhebel aus einer Basis, einer Stütze, einem schwenkbaren Teil und Luftmuskeln besteht, wobei Basis und schwenkbarer Teil eines Schwenkhebels an gegenüberliegenden Enden der Stütze befestigt sind, der schwenkbare Teil gegenüber der Stütze um eine oder zwei Achsen drehbar gelagert ist, wobei zwischen Basis und schwenkbarem Teil eines Schwenkhebels mehrere Luftmuskel an unterschiedlichen Seiten von Schwenkachsen des schwenkbaren Teils angeordnet sind, wobei am schwenkbaren Teil eines Schwenkhebels die Basis des nächsten Schwenkhebels starr befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Basis (2.1) des zweiten Schwenkhebels (2) an dem schwenkbaren Teil (1.4) des ersten Schwenkhebels (1) in verschiedenen Ausrichtungen montierbar ist.
2. 2. Roboterarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an Gelenken an den Enden der Schwenkarme (1, 2, 3) erst ein Gelenk mit Schwenkbarkeit um zwei aufeinander normal stehende Achsen, dann ein Gelenk mit Schwenkbarkeit um eine einzige Achse, und dann wieder ein Gelenk mit Schwenkbarkeit um zwei aufeinander normal stehende Achsen folgen.
3. 3. Roboterarm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schwenkhebel 1 stärker ausgeführt ist als Schwenkhebel 2, und Schwenkhebel 2 stärker als Schwenkhebel 3.
4. 4. Roboterarm nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Luftmuskeln der einzelnen Schwenkhebel mit den zugehörigen schwenkbaren Teilen ausschließlich über unmittelbar wirkende Zugglieder wie beispielsweise Seile, Riemen, Ketten, Zugstangen, etc., welche einerseits am Luftmuskel, andererseits am schwenkbaren Teil befestigt sind, in mechanischer Wirkverbindung stehen.
5. 5. Roboterarm nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erforderliche Leitungen an Gelenken am Rotorarm durch Bohrungen in der Gelenkskugel bzw. in dem Gelenksbolzen geführt werden. 9 AT 503 728 B1
6. 6. Roboterarm nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gelenk für eine zweiachsige Schwenkbewegung als Kugel-Pfanne-Gelenk ausgebildet ist, wobei eine Nut in der Oberfläche der Kugel (1.2.1) verläuft, in welche ein mit der Pfanne starr verbundener Bolzen (1.4.1) ragt, wobei die Nut in einer solchen Symmetrieebene der Kugel liegt, welche zu der Ausrichtung jener Luftmuskeln (1.3) parallel liegt, welche an der Pfanne angreifen.
7. 7. Verfahren zur Steuerung eines Roboterarmes, welcher zumindest aus drei miteinander verketteten Schwenkhebeln gebildet ist, wobei jeder Schwenkhebel eine konstante Länge aufweist und am Ende des letzten Schwenkhebels eine schwenkbare Halterung für Werkzeuge vorgesehen ist, wobei jeder Schwenkhebel aus einer Basis, einer Stütze, einem schwenkbaren Teil und Luftmuskeln besteht, wobei Basis und schwenkbarer Teil eines Schwenkhebels an gegenüberliegenden Enden der Stütze befestigt sind, der schwenkbare Teil gegenüber der Stütze um eine oder zwei Achsen drehbar gelagert ist, wobei zwischen Basis und schwenkbarem Teil eines Schwenkhebels mehrere Luftmuskel an unterschiedlichen Seiten von Schwenkachsen des schwenkbaren Teils angeordnet sind, wobei am schwenkbaren Teil eines Schwenkhebels die Basis des nächsten Schwenkhebels starr befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung die Stellung der einzelnen Schwenkhebel (1, 2, 3) und der in den einzelnen Luftmuskeln (1.3, 2.3, 3.3) anliegende Druck gemessen wird und unter Miteinbeziehung der Druck-Weg-Diagramme der einzelnen Luftmuskeln und der geometrischen Hebelverhältnisse auf die am Werkzeugende (4) wirkende Kraft rückgerechnet wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in den Luftmuskeln durch ein Überdruckventil begrenzt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von einzelnen Luftmuskeln aufgebrachte Kraft direkter als gemäß Anspruch 8, beispielsweise mittels Dehnungsmessstreifen gemessen wird.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Werkzeugende ausgeübte Kraft durch die Steuerung vorgegeben und überwacht bzw. begrenzt wird.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung in einen Modus schaltbar ist, in welchem sie Bewegungsabläufe des Roboterarms, die hervorgerufen werden indem der Roboterarm an beliebiger Stelle gefasst und durch äußere Kräfte bewegt wird, aufzeichnet. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen