AT520014B1 - Erkennung einer Kollision eines Handhabungsgeräts mit einem Hindernis - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erkennung einer Kollision eines Handhabungsgeräts mit einem Hindernis umfassend wenigstens einen Sensorkörper (2), wobei der Sensorkörper (2) eine gasgefüllte Kammer (4), die von einer flexiblen, durch Kollision mit einem Hindernis verformbaren Hülle (3) umgeben ist und eine flexible Stützstruktur (13) aufweist, wobei die Stützstruktur (13) ein Dämpfungselement ausbildet, welches gemeinsam mit der Hülle (3) die bei einer Kollision einwirkenden Kräfte mechanisch dämpft, und weiters umfassend einen Drucksensor (10) zur Messung des Gasdrucks im Inneren der Kammer (4) und Befestigungsmittel zur Befestigung des wenigstens einen Sensorkörpers (2) an der Oberfläche (1) des Handhabungsgeräts, umfassen die Befestigungsmittel wenigstens ein Tragelement (30,32), welches an der Oberfläche (1) des Handhabungsgeräts befestigbar ist und Formschlusselemente (33) aufweist, mit welchen korrespondierende Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers (2) in formschlüssige Verbindung bringbar sind.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung einer Kollision eines Handhabungsgeräts mit einem Hindernis umfassend wenigstens einen Sensorkörper, wobei der Sensorkörper eine gasgefüllte Kammer, die von einer flexiblen, durch Kollision mit einem Hindernis verformbaren Hülle umgeben ist und eine flexible Stützstruktur aufweist, wobei die Stützstruktur ein Dämpfungselement ausbildet, welches gemeinsam mit der Hülle die bei einer Kollision einwirkenden Kräfte mechanisch dämpft, und weiters umfassend einen Drucksensor zur Messung des Gasdrucks im Inneren der Kammer und Befestigungsmittel zur Befestigung des wenigstens einen Sensorkörpers an der Oberfläche des Handhabungsgeräts.

[0002] Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.

[0003] Die Erfindung betrifft außerdem ein Handhabungsgerät mit einer wenigstens einen Sensorkörper aufweisenden, eine Oberfläche des Handhabungsgeräts zumindest bereichsweise abdeckenden Kollisionserkennungsvorrichtung der oben genannten Art, wobei das Handhabungsgerät eine Notabschaltung aufweist, die in Abhängigkeit von den Signalen des Drucksensors aktivierbar ist.

[0004] Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der WO 2016/000005 A1 beschrieben und dient als taktiler Sicherheits-Sensor zum Schutz von Personen und ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten, insbesondere Industrierobotern, wie z.B. Fertigungs-, Transport-, Inspektionsoder Servicerobotern und ihren Manipulatoren. Zur Kollisionserkennung wird der Sicherheits-Sensor oder eine Mehrzahl solcher Sicherheits- Sensoren am Handhabungsgerät und/oder an deren Manipulatoren angebracht. Der in der WO 2016/000005 A1 beschriebene Sicherheits-Sensor umfasst im wesentlichen eine luftdichte Hülle, die eine gas- oder luftgefüllte Kammer umschließt, und einen innenliegenden barometrischen Drucksensor. Die Form der Hülle wird durch eine nachgiebige Stützstruktur gehalten, wobei die Stützstruktur und die Hülle gemeinsam den Körper des Sensors bilden. Die Stützstruktur sorgt hierbei für Formstabilität und eine mechanische Dämpfung der bei einer Kollision einwirkenden Kräfte. Eine Berührung des Sensors führt zu einer Verformung der Hülle und damit zu einer Komprimierung der Kammer samt Stützstruktur, was wiederum zu einem messbaren Druckanstieg im Inneren der Hülle führt. Ein Druckanstieg über einen gewissen Schwellwert führt zum Stopp des zu sichernden Handhabungsgeräts, auf dessen Oberfläche der Sensor befestigt ist.

[0005] Bei dem in der WO 2016/000005 A1 beschriebenen Sicherheits- Sensor erfolgt die Befestigung an der Oberfläche des Handhabungsgeräts durch Aufkleben, durch magnetische Befestigung oder mit Hilfe von Befestigungsschrauben, wobei die Befestigung direkt am Handhabungsgerät erfolgt. Diese Art der Befestigung ist jedoch nachteilig, weil das Handhabungsgerät bzw. dessen Oberfläche flächig oder an den Befestigungspunkten verändert werden muss, sei es durch Aufbringen eines Klebstoffs oder durch Bohren von Löchern zur Aufnahme von Befestigungsschrauben. Weiters ist die beschriebene Art der Befestigung mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden. Schließlich liegt ein weiterer Nachteil darin, dass die Befestigung im Falle einer Klebeverbindung nicht zerstörungsfrei gelöst werden kann und allgemein keinen raschen Austausch des Sicherheits- Sensors erlaubt.

[0006] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, die oben genannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung zu schaffen, die in einfacher Weise, ohne großen Arbeitsaufwand und rasch am Handhabungsgerät angebracht werden und im Bedarfsfall, z.B. für Wartungszwecke, von diesem wieder gelöst werden kann.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass die Befestigungsmittel wenigstens ein Tragelement umfassen, welches an der Oberfläche des Handhabungsgeräts befestigbar ist und Formschlusselemente aufweist, mit welchen korrespondierende Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers in formschlüssige Verbindung bringbar sind. Dadurch, dass ein gesonder tes Tragelement vorgesehen ist, kann dieses im Hinblick auf eine optimierte Verbindung zwischen dem Tragelement und dem oder den Sensorkörper(n) ausgestaltet sein. In diesem Zusammenhang ermöglicht die erfindungsgemäße Ausbildung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Sensorkörper und dem Tragelement mit Hilfe von aufeinander abgestimmten Formschlusselementen. Die formschlüssige Verbindung erlaubt hierbei einerseits eine ausreichende Haltekraft und andererseits eine leichte Lösbarkeit der Verbindung.

[0008] Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Formschlusselemente des wenigstens einen Tragelements und die Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers zur Herstellung einer Rastverbindung ausgebildet sind. Die Befestigung des Sensorkörpers erfordert hierbei lediglich, dass die Formschlusselemente des Sensorkörpers mit den Formschlusselementen des Tragelements in Rastverbindung gebracht werden, wozu wenigstens eines der miteinander zusammenwirkenden Formschlusselemente eine auslenkbaren Teil aufweist. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die Formschlusselemente des Sensorkörpers und/oder die Formschlusselemente des Tragelements elastisch verformbar oder flexibel ausgebildet sind. Bevorzugt können die Formschlusselemente des Sensorkörpers elastisch verformbar oder flexibel ausgebildet sein, was beispielsweise dadurch gelingt, dass die Formschlusselemente aus dem selben Material der flexiblen Hülle des Sensorkörpers gebildet sind.

[0009] Die Rastverbindung kann vorzugsweise derart gestaltet sein, dass die Formschusselemente des wenigstens einen Tragelements vom Tragelement vorstehen und einen verbreiterten, insbesondere pilzförmigen Kopf aufweisen und die Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers Ausnehmungen aufweisen, in welche der Kopf die Ausnehmung hintergreifend einsteckbar ist.

[0010] Bevorzugt ist das Tragelement als flächiges Element ausgebildet, dessen Formgebung der Oberflächenform des Handhabungsgeräts entspricht.

[0011] Das Tragelement kann auf der Oberfläche des Handhabungsgeräts, z.B. durch Kleben, Schrauben oder mit Hilfe einer formschlüssigen Verbindung, befestigt werden. Dies erfordert jedoch in aller Regel eine Veränderung oder Beschädigung des Handhabungsgeräts oder von dessen Oberfläche. Eine bevorzugte Ausbildung sieht daher vor, dass wenigstens zwei Tragelemente als schalenartige, insbesondere gekrümmte, Elemente ausgebildet sind, die gemeinsam wenigstens einen Bereich des Handhabungsgeräts umschließend an diesem anbring-bar sind. Dadurch, dass die wenigstens zwei schalenartige Elemente den entsprechenden Bereich des Handhabungsgeräts umschließen, wird ein Formschluss zwischen dem die wenigstens zwei Schalen umfassenden Tragelement und dem umschlossenen Bereich des Handhabungsgerät erzielt, der das Vorsehen gesonderter Verbindungselemente, wie z.B. Schrauben, Kleben etc. überflüssig macht.

[0012] Um die schalenartigen Elemente nach dem Anlegen an die Oberfläche des Handhabungsgeräts in der gewünschten Position zu halten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die schalenartigen Elemente zu einem zusammenhängenden, den entsprechenden Bereich des Handhabungsgerät umschließenden Tragelement miteinander verbunden werden. Zu diesem Zweck sieht eine bevorzugte Weiterbildung vor, dass die schalenartigen Elemente Verbindungsmittel zum Verbinden mit wenigstens einem benachbarten schalenartigen Element aufweisen. Die Verbindung zwischen benachbarten schalenartigen Elementen kann beispielsweise durch Schrauben, Klemmen oder durch elastische Verbindungselemente, wie z.B. Gummiringe, erfolgen.

[0013] Das Tragelement bzw. die schalenartigen Elemente des Tragelements kann bzw. können aus einem Kunststoff bestehen und sind vorzugsweise flexibel ausgebildet, um beispielsweise eine gewisse Anpassung an den Krümmungsradius der Oberfläche des Handhabungsgeräts zu erlauben. Alternativ kann das Tragelement bzw. dessen schalenartige Elemente aus einem starren Material ausgebildet sein. Die Formschlusselemente des Tragelements können einstückig mit dem Tragelement ausgebildet sein.

[0014] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung sind die Hülle und die innerhalb der Hülle angeordnete Stützstruktur sowie die Formschlusselemente des Sensorkörpers miteinander einstückig ausgebildet. Dadurch, dass die Hülle und die Stützstruktur sowie die Formschlusselemente miteinander einstückig ausgebildet sind, können diese in einfacher Weise als einheitlicher Körper ausgebildet werden, wobei insbesondere neuartige und an die jeweiligen Erfordernisse angepasste Raumgebilde für die Stützstruktur geschaffen werden können, wobei die Hülle die Kammer bzw. die darin angeordnete Stützstruktur vollumfänglich umgibt. Die einstückige Ausführung gelingt gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung dadurch, dass die Hülle, die Stützstruktur und die Formschlusselemente des Sensorkörpers durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere schichtweise, wie z.B. durch selektives Lasersintern, hergestellt sind. Generative Fertigungsverfahren werden auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet und erlauben die Herstellung von Stützstrukturen mit einer hohen geometrischen Komplexität.

[0015] Die Verwendung von generativen Fertigungsverfahren erlaubt es in einfacherWeise, die Hülle und die Stützstruktur so auszubilden, dass in einem ersten und in einem zweiten Bereich des Handhabungsgeräts ein voneinander verschiedener Dämpfungsgrad bereitgestellt wird. Insbesondere können der Aufbau und die Festigkeit der Stützstruktur hierbei lokal jeweils so gewählt werden, dass auf jedem Abschnitt der Oberfläche des Handhabungsgeräts die jeweils erforderliche mechanische Dämpfung erreicht wird. Die erforderliche Dämpfung ergibt sich aus den Sicherheitsanforderungen des zu sichernden Arbeitsprozesses bzw. des zu sichernden Handhabungsgeräts, wie z.B. der Verfahrgeschwindigkeit und der maximal erlaubten Kontaktkraft.

[0016] Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass die Stützstruktur und/oder die Hülle lokal derart verändert ist, dass in einem ersten und in einem zweiten Bereich des Handhabungsgeräts ein voneinander verschiedener Dämpfungsgrad bereitgestellt ist. Die Variation des Dämpfungsgrades kann entweder durch lokale Variation der Ausbildung der Hülle oder durch lokale Variation der Ausbildung der Stützstruktur erfolgen oder es können sowohl die Ausbildung der Hülle als auch die Ausbildung der Stützstruktur lokal variiert werden.

[0017] Die Variation des Dämpfungsgrades des aus Stützstruktur und Hülle bestehenden Sensorkörpers kann hierbei bevorzugt innerhalb ein und desselben Sensorkörpers erfolgen.

[0018] Die Stützstruktur ist bevorzugt so aufgebaut, dass sie gegenüberliegende Bereiche der Hülle, insbesondere den an der Oberseite des Sensorkörpers angeordneten Bereich der Hülle und den an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Bereich der Hülle, miteinander verbindet. Die Stützstruktur ist hierbei so ausgebildet, dass sie die Kammer des Sensorkörpers durchsetzt. Die Oberseite der Vorrichtung bezeichnet hierbei die dem zu sichernden Handhabungsgerät abgewandte Seite und die Unterseite bezeichnet die dem zu sichernden Handhabungsgerät zugewandte Seite des Sensorkörpers. Weiters bezeichnet im folgenden „innen" alle Teile innerhalb der luftdichten Hülle und „außen" alle Teile außerhalb der luftdichten Hülle.

[0019] Bevorzugt weist die Stützstruktur eine Vielzahl von Stützelementen auf. Die Stützelemente können beispielsweise innerhalb der Kammer ein Raumgitter ausbilden, welches vorzugsweise aus Kuben, Tetraedern oder Oktaederstümpfen aufgebaut oder als Wabengitter ausgebildet ist.

[0020] Alternativ oder zusätzlich können die Stützelemente von die Kammer durchsetzenden Stegen und/oder Stäben gebildet sein.

[0021] Weiters ist eine Ausbildung möglich, bei der die Stützstruktur eine sich von der Unterseite zur Oberseite der Vorrichtung hin verzweigende Baumstruktur umfasst. Die Baumstruktur umfasst hierbei beispielsweise dicke Stäbe, die sich zur Oberseite des Sensorkörpers hin verzweigen und feiner werden. Dies ermöglicht eine Ausbildung, bei welcher der Anteil des von der Stützstruktur freigelassenen Hohlraums im Bereich der Unterseite der Vorrichtung verhältnis-mäßig groß ist, wodurch eine Gewichtsersparnis erreicht wird, während im Bereich der Oberseite durch die sich verzweigenden feineren Stäbe eine gut verteilte Stützwirkung erreicht wird.

[0022] Die Einstellung des Dämpfungsgrades gelingt in besonders einfacher Weise dadurch, dass die Anzahl der Stützelemente je Volumeneinheit der Kammer im ersten Bereich größer gewählt ist als im zweiten Bereich. Je höher die Anzahl der Stützelemente je Volumeneinheit der Kammer gewählt ist, desto steifer bzw. fester ist die Stützstruktur. Je geringer die Anzahl der Stützelemente je Volumeneinheit der Kammer gewählt ist, desto weicher bzw. flexibler ist die Stützstruktur. Durch Anwendung eines generativen Fertigungsverfahrens kann die räumliche Dichte der Stützelemente in einfacher Weise innerhalb ein und derselben Kammer, d.h. innerhalb ein und desselben aus Hülle und Stützstruktur bestehenden Körpers lokal variiert werden.

[0023] Die Stützelemente der Stützstruktur können vorzugsweise abgerundete Verbindungen zueinander und/oder zur Hülle aufweisen, um eine bessere mechanische Stabilität zu gewährleisten. Bei einer abgerundeten Verbindungen gehen die einzelnen Stützelemente über einen Radius ineinander über.

[0024] Die lokale Variation des Dämpfungsgrades kann alternativ oder zusätzlich auch durch Veränderung der physikalischen Materialeigenschaften der Stützstruktur erfolgen, insbesondere durch Variation der Steifigkeit des Materials. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass die Stützstruktur im ersten Bereich aus einem steiferen Material gefertigt ist als im zweiten Bereich.

[0025] Die lokale Variation des Dämpfungsgrades kann alternativ oder zusätzlich auch durch entsprechende Veränderung der Dicke der Stützstruktur erreicht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Stützstruktur im ersten Bereich eine höhere Dicke aufweist als im zweiten Bereich. Als Dicke wird hierbei der Abstand zwischen der Oberseite und der Unterseite des aus Stützstruktur und Hülle bestehenden Sensorkörpers verstanden.

[0026] Bei einer Ausführung, bei der die Variation des Dämpfungsgrades durch eine lokale Veränderung der Hülle erfolgt, kann vorgesehen sein, dass die Dicke der Hülle und/oder die Festigkeit der Hülle an der Oberseite der Vorrichtung im ersten Bereich größer gewählt ist als im zweiten Bereich. Die Stützstruktur kann hierbei entweder mit homogenen Dämpfungseigenschaften ausgeführt sein oder es kann eine zusätzliche lokale Beeinflussung des Dämpfungsgrades durch ergänzende lokale Veränderung der Stützstruktur erreicht werden. Im letzteren Fall kann vorgesehen sein, dass der Dämpfungsgrad der Hülle an der Oberseite der Vorrichtung im ersten Bereich größer gewählt ist als im zweiten Bereich und dass der Dämpfungsgrad der Stützstruktur im zweiten Bereich größer gewählt ist als im ersten Bereich.

[0027] Insbesondere führt eine dicke bzw. feste Hülle, unter Umständen in Kombination mit einer weichen Stützstruktur, bei Berührung mit einem Hindernis zu einem eher großflächigen Eindrücken des Sensorkörpers. Umgekehrt führt eine dünne bzw. weiche Hülle, unter Umständen in Kombination mit einer festen Stützstruktur, zu einem eher lokalen Eindrücken des Sen-sorkörpers.

[0028] Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, dass die Dicke der Hülle und/oder die Festigkeit der Hülle an der Oberseite der Vorrichtung in einem Randbereich der Kammer geringer gewählt ist als in einem zentralen Bereich der Kammer. Der Randbereich kann hierbei ein gekrümmter Bereich sein. Die Dicke der Hülle und/oder die Festigkeit der Hülle kann dabei an der Oberseite der Vorrichtung in einem gekrümmten Bereich der Hülle geringer gewählt sein als in einem ebenen Bereich der Hülle. Dies gewährleistet eine gleichbleibend hohe Sensitivität des Sensors bis zum Randbereich bzw. auch in einem gekrümmten Bereich der Oberseite.

[0029] Die erfindungsgemäße Befestigung des Sensorkörpers mit Hilfe von Formschlusselementen erlaubt es, dass die Befestigung an relativ wenigen, an der Unterseite des Sensorkörpers verteilten Befestigungsstellen erfolgt. Dazwischen ist eine Befestigung am Tragelement nicht erforderlich. Auf Grund der Bauhöhe der Formschlusselemente sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung hierbei vor, dass die Formschlusselemente des Sensorkörpers in verdickten Bereichen des Sensorkörpers ausgebildet sind, wobei zwischen den verdickten Bereichen Abstandsbereiche ausgebildet sind, in denen der Sensorkörper vom Tragelement bzw. von der Oberfläche des Handhabungsgeräts unter Ausbildung eines gasgefüllten Hohl rau ms beabstandet ist.

[0030] In Höhenrichtung ergibt sich somit von der Unterseite zur Oberseite des Sensorkörpers gesehen ein dreischichtiger Aufbau mit dem Tragelement als erste Schicht, den Abstandsbereichen als zweite Schicht und dem restlichen Sensorkörper als dritte Schicht. Sowohl die zweite Schicht als auch die dritte Schicht können in ihrer Dicke angepasst werden. Beispielsweise kann die dritte Schicht dünner ausgeführt werden, was ein geringeres Volumen des Sensorkörpers zur Folge hat und eine höhere Sensitivität ermöglicht oder bei gegebenem Sensorkörpervolumen eine größere Sensorfläche ermöglicht. Die zweite Schicht kann dagegen im Verhältnis zur dritten Schicht dicker ausgeführt werden, wodurch längere Nachlaufwege nach einem Stopp des zu sichernden Handhabungsgeräts toleriert werden können.

[0031] Die durch die Abstandsbereiche gebildeten Hohlräume können leer sein, d.h. nur mit Luft gefüllt sein, oder selbst noch eine Stützstruktur aufweisen. Die durch diese Stützstruktur gegebene Dämpfung ermöglicht neben der Deformation des Sensorkörpers ein weiteres gezieltes Abbauen der mechanischen Energie eines eventuellen Aufpralls.

[0032] Weiters können die Hohlräume eine Luftzirkulation ermöglichen und somit ein Stauen der Abwärme des zu sichernden Handhabungsgeräts verhindern.

[0033] Weiters kann der Sensorkörper so ausgeführt werden, dass er zwischen den verdickten Bereichen eine Durchbrechung aufweist, die den Hohlraum mit der Umgebung verbindet. Solche Durchbrechungen bzw. Löcher können die Luftzirkulation unterstützen. Diese Durchbrechungen können optional durch eine gitterartige Struktur abgedeckt sein, sodass ein Berühren des Gitters wie gehabt zu einer Deformation der Hülle und somit einem Auslösen des Sensors führen.

[0034] Wie an sich bekannt, ist bevorzugt vorgesehen, dass jede Kammer eine eigene Druckerhöhungsvorrichtung, vorzugsweise eine insbesondere piezoelektrisch angetriebene Pumpe bzw. ein Gebläse, aufweist. Die Druckerhöhungsvorrichtung ist bevorzugt so angeordnet, dass sie Umgebungsluft in die jeweilige Kammer fördern kann. Bevorzugt wirkt der Drucksensor über eine Steuerschaltung mit der Druckerhöhungsvorrichtung zusammen, um einen vorgegebenen Gasdruck in der Kammer herzustellen und zu halten.

[0035] Die Erfindung sieht weiters ein Handhabungsgerät vor, bei dem wenigstens ein Sensorkörper der erfindungsgemäßen Kollisionserkennungsvorrichtung eine Oberfläche des Handhabungsgeräts zumindest bereichsweise abdeckt, wobei das Handhabungsgerät eine Notabschaltung aufweist, die in Abhängigkeit von den Signalen des Drucksensors aktivierbar ist.

[0036] Das Handhabungsgerät kann als Industrieroboter, insbesondere als Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder Serviceroboter ausgebildet sein.

[0037] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen [0038] Fig. 1 eine Kollisionserkennungsvorrichtung nach dem Stand der Technik im Querschnitt, [0039] Fig. 2 eine weiterentwickelte Kollisionserkennungsvorrichtung, bei welcher der Sensorkörper einstückig ausgebildet ist, [0040] Fig. 3 eine Detailansicht einer ersten Ausbildung der erfindungsgemäßen

Befestigung eines Sensorkörpers an einem Handhabungsgerät, [0041] Fig. 4 eine Detailansicht einer zweiten Ausbildung der erfindungsgemäßen

Befestigung eines Sensorkörpers an einem Handhabungsgerät, [0042] Fig. 5 eine Detailansicht einer dritten Ausbildung der erfindungsgemäßen

Befestigung eines Sensorkörpers an einem Handhabungsgerät, [0043] Fig. 6 eine Detailansicht einer vierten Ausbildung der erfindungsgemäßen

Befestigung eines Sensorkörpers an einem Handhabungsgerät, [0044] Fig. 7 eine Detailansicht einer fünften Ausbildung der erfindungsgemäßen

Befestigung eines Sensorkörpers an einem Handhabungsgerät, [0045] Fig. 8 eine Detailansicht einer ersten Ausbildung der Stützstruktur des

Sensorkörpers, [0046] Fig. 9 eine Detailansicht einer zweiten Ausbildung der Stützstruktur, [0047] Fig. 10 eine Detailansicht einer dritten Ausbildung der Stützstruktur, [0048] Fig. 11 eine Detailansicht einer vierten Ausbildung der Stützstruktur, [0049] Fig. 12 eine Detailansicht einer fünften Ausbildung der Stützstruktur, [0050] Fig. 13 eine Detailansicht einer sechsten Ausbildung der Stützstruktur, [0051] Fig. 14a und 14b eine Detailansicht einer siebenten und achten Ausbildung der Stützstruktur und [0052] Fig. 15 eine Detailansicht einer neunten Ausbildung der Stützstruktur.

[0053] In Fig. 1 ist eine Kollisionsdetektionsvorrichtung gezeigt, die auf der Oberfläche 1 eines Handhabungsgeräts angebracht ist. Die Vorrichtung umfasst mehrere Sensorkörper 2, die jeweils eine von einer Hülle 3 umgebene luftgefüllte Kammer 4 aufweisen. Die Hülle 3 ist an einer Kunststoff Basisschale 5 befestigt und bildet mit dieser einen luftdichten Verschluss der Kammer 4. Die Basisschale 5 ist unter Zwischenschaltung von Distanzstücken 6 an der Oberfläche 1 des Handhabungsgeräts z.B. mittels einer Klebeverbindung befestigt. Die durch die Distanzstücke 6 erzielte Freistellung erzeugt zwischen der Unterseite des Sensorkörpers 2 und der Oberfläche 1 einen Lufteintritts- und Kabel-Durchtritts-Kanal 7.

[0054] Der in der Kammer 4 herrschende Druck wird mit Hilfe einer Druckerhöhungsvorrichtung 8, die Umgebungsluft aus dem Kanal 7 ansaugt und dabei einen durch das Steuergerät 9 einstellbaren Druck im Inneren des Sensorkörpers 2 erzeugt, eingestellt bzw. gehalten. Die Druckerhöhungsvorrichtung 8 ist in einer Ausnehmung der Basisschale 5 aufgenommen. Ebenfalls in der Ausnehmung der Basisschale 5 aufgenommen ist ein Drucksensor 10, der den in der Kammer 4 herrschenden Luftdruck misst. Der innenliegende Drucksensor 10 ist bevorzugt auf einer als Leiterplatte ausgebildeten Trägerplatte 11 befestigt, die außenseitig auch einen Referenz-Drucksensor 12 tragen kann. Bezüglich der Funktionsweise der Kollisionserkennungsvorrichtung wird auf die WO 2016/000005 A1 verwiesen.

[0055] Eine weiterentwickelte Ausbildung, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, funktioniert analog wie die Ausbildung gemäß Fig. 1, wobei der Sensorkörper 2 jedoch eine in der Kammer 4 angeordnete Stützstruktur 13 aufweist, die in Fig. 2 lediglich mit einer Kreuzschraffur angedeutet ist. Die Hülle 3 ist abweichend von Fig. 1 nicht an einer Basisschale befestigt, sondern umgibt die Kammer 4 vollumfänglich. Weiters sind die Hülle und die Stützstruktur 13 zusammen einstückig ausgebildet, insbesondere mit Hilfe eines generativen, schichtweisen Herstellungsverfahrens gefertigt. Die Leiterplatte 11 samt den Drucksensoren 10 und ggf. 12 kann so aufgebaut sein wie bei der Ausbildung gemäß Fig. 1. Dasselbe gilt für die Druckerhöhungsvorrichtung, die in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist.

[0056] Die nachfolgenden Figuren zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Befestigung des Sensorkörpers am Handhabungsgerät. Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Sensorkörpers 2 mit einer Stützstruktur 13, welche den an der Oberseite des Sensorkörpers 2 angeordneten Hüllenbereich 14 mit dem an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 15 verbindet. Auf der Oberfläche 1 des Handhabungsgeräts ist ein flächiges Tragelement 30 angeordnet, welches den zu schützenden Bereich des Handhabungsgeräts im Wesentlichen abdeckt. Das Tragelement 30 weist eine Vielzahl von Formschlusselementen auf, mit welchen korrespondierende Formschlusselemente formschlüssig Zusammenwirken, die an der Unterseite des Sensorkörpers 2 ausgebildet sind. Die Formschlusselemente greifen hierbei nach Art eines Pilz-in-Pilz Klettverschlusses ineinander.

[0057] Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausbildung, in welcher ein zylindrischer Bereich 31 des

Handhabungsgeräts im Querschnitt dargestellt ist. An der Oberfläche des Handhabungsgeräts sind drei schalenartige Tragelemente 32 angeordnet, welche gemeinsam eine zylindrische Schale bilden, die den zylindrischen Bereich 31 des Handhabungsgeräts formschlüssig umgibt. Die Tragelemente 32 können auf verschiedene Art untereinander verbunden sein, wobei in Fig. 4 exemplarisch drei verschiedene Verbindungsarten schematisch gezeigt sind. Die schalenartigen Tragelemente weisen an den zueinander weisenden Endbereichen jeweils flanschartige Fortsätze auf, die mit Hilfe einer Schraube 34, durch eine formschlüssige Verbindung 35, wie z.B. eine Klemm- oder Rastverbindung, oder durch elastische Verbindungselemente, wie z.B. Gummiringe 36, miteinander verbunden sind.

[0058] An den schalenartigen Tragelemente 32 sind Formschlusselemente 33 angeformt, die vom jeweiligen Tragelement vorstehen und einen verbreiterten, insbesondere pilzförmigen Kopf aufweisen, die in Ausnehmungen des Sensorkörpers 2 die Ausnehmung hintergreifend einsteckbar ist. Auf diese Weise wird ein Sensorkörper 2 am Tragelement 32 befestigt.

[0059] Bei der Ausbildung gemäß Fig. 5 ist ersichtlich, dass der Sensorkörper 2 im Bereich der Formschlusselemente verdickt ausgebildet sein kann, wobei zwischen den verdickten Bereichen 35 Abstandsbereiche 34 ausgebildet sind, in denen der Sensorkörper 2 vom Tragelement 32 bzw. von der Oberfläche 1 des Handhabungsgeräts unter Ausbildung eines Hohlraums 36 beabstandet ist. In Höhenrichtung ergibt sich somit von der Unterseite zur Oberseite des Sensorkörpers 2 gesehen ein dreischichtiger Aufbau mit dem Tragelement als erste Schicht 38, den Abstandsbereichen in der zweiten Schicht 38 und dem restlichen Sensorkörper als dritte Schicht 39.

[0060] Im Hohlraum 36, kann wie rechts in Fig. 5 dargestellt, eine Stützstruktur 40 vorgesehen sein, welche sich von der Unterseite des Sensorkörpers 2 nach unten erstreckt und an der Unterseite des Sensorkörpers 2 angeformt sein kann. Die Stützstruktur 40 kann beispielsweise einstückig mit dem Sensorkörper 2 ausgebildet sein, wobei der Sensorkörper und die Stützstruktur 40 mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens in einem Stück hergestellt sein können.

[0061] Wie in Fig. 6 dargestellt, kann der Sensorkörper 2 im Abstandsbereich 34 mit wenigstens einer Durchbrechung 41 ausgebildet sein, welche die Luftzirkulation unterstützen.

[0062] Diese Durchbrechung kann, wie in Fig. 7 dargestellt, mit einer gitterartigen Struktur abgedeckt sein.

[0063] Die nachfolgenden Figuren zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Stützstruktur 13. Fig. 8 zeigt eine Stützstruktur 13, welche den an der Oberseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 14 mit dem an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 15 verbindet. Fig. 8 zeigt lediglich einen Ausschnitt der Stützstruktur 13, die Stützstruktur 13 verbindet jedoch auch die beiden seitlichen (nicht gezeigten) Bereiche der Hülle 3 miteinander. Die Hülle 3 und die Stützstruktur 13 bestehen aus einem flexiblen Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus dem selben Material, und sind mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens, insbesondere durch selektives Lasersintern (SLS), in einem Stück aufgebaut worden. Die Stützstruktur 13 besteht im vorliegenden Fall aus einer Vielzahl von einander im rechten Winkel kreuzenden Stäben, wobei eine erste Gruppe von parallelen Stäben 16 die Oberseite mit der Unterseite verbindet und eine zweite Gruppe von parallelen Stäben 17 von einer Seite zur anderen Seite verläuft, sodass ein kubisches Raumgitter vorliegt.

[0064] Fig. 9 zeigt eine Stützstruktur 13, welche den an der Oberseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 14 mit dem an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 15 verbindet und aus parallelen Stegen 18 besteht.

[0065] Fig. 10 zeigt eine Stützstruktur 13, welche den an der Oberseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 14 mit dem an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 15 verbindet und aus parallelen Stäben 19 besteht.

[0066] Fig. 11 zeigt eine Stützstruktur 13, welche den an der Oberseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 14 mit dem an der Unterseite des Sensorkörpers angeordneten Hüllenbereich 15 verbindet und aus einer sich von der Unterseite zur Oberseite hin verzweigende Baumstruktur besteht, wobei sich ein Stammabschnitt 20 in Verzweigungen 21 verzweigt.

[0067] Fig. 12 zeigt eine Ausbildung, bei der die Stützstruktur 13 von X-förmig angeordneten Stegen 22 und 23 gebildet ist, wobei im Kreuzungsbereich 24 sowie im Verbindungsbereich 25 der Stege 22 und 23 mit der Hülle 3 bzw. den Hüllenbereichen 14 und 15 ein Radius ausgebildet ist.

[0068] Bei den Ausbildungen gemäß den Fig. 3 bis 7 kann der von der Stützstruktur bereitgestellte Dämpfungsgrad lokal variiert werden, indem zum Beispiel die Anzahl der Stützelemente (Stege, Stäbe, Baumstruktur) je Volumeneinheit variiert wird, sodass entweder eine dichtere oder eine weniger dichte Struktur entsteht. Die lokale Variation des Dämpfungsgrades kann aber auch durch die Veränderung der Materialstärke (Dicke) oder der Materialsteifigkeit der jeweiligen Stützelemente vorgenommen werden.

[0069] Die lokale Variation des Dämpfungsgrades kann aber auch durch eine Veränderung der zwischen Oberseite und Unterseite gemessenen Dicke erfolgen, wie dies beispielsweise in Fig. 13 dargestellt ist. Fig. 13 zeigt einen Bereich eines Handhabungsgeräts, dessen Oberfläche 1 durch einen Sensorkörper 2 abgedeckt ist. Die Stützstruktur 13 ist in einem ersten Bereich 26 dicker ausgeführt als in einem zweiten Bereich 27.

[0070] Fig. 14 zeigt eine Ausbildung, bei der die Wandstärke und/oder Festigkeit der Hülle 3 variiert wird. Insbesondere führt eine dicke/feste Hülle 3, unter Umständen in Kombination mit einer weichen Stützstruktur 13, bei Berührung zu einem eher großflächigen Eindrücken des Sensorkörpers (Fig. 14a). Umgekehrt führt eine dünne/weiche Hülle 3, unter Umständen in Kombination mit einer festen Stützstruktur 13, zu einem eher lokalen Eindrücken des Sensors (Fig. 14b).

[0071] Weiters kann, wie dies in Fig. 15 gezeigt ist, die Wandstärke der Hülle 3 in der Mitte 28 der Sensorfläche größer gewählt sein als am Rand 29 der Sensorfläche.

Claims (18)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung zur Erkennung einer Kollision eines Handhabungsgeräts mit einem Hindernis umfassend wenigstens einen Sensorkörper (2), wobei der Sensorkörper (2) eine gasgefüllte Kammer (4), die von einer flexiblen, durch Kollision mit einem Hindernis verformbaren Hülle (3) umgeben ist und eine flexible Stützstruktur (13) aufweist, wobei die Stützstruktur (13) ein Dämpfungselement ausbildet, welches gemeinsam mit der Hülle (3) die bei einer Kollision einwirkenden Kräfte mechanisch dämpft, und weiters umfassend einen Drucksensor (10) zur Messung des Gasdrucks im Inneren der Kammer (4) und Befestigungsmittel zur Befestigung des wenigstens einen Sensorkörpers (2) an der Oberfläche (1) des Handhabungsgeräts, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel wenigstens ein Tragelement (30,32) umfassen, welches an der Oberfläche (1) des Handhabungsgeräts befestigbar ist und Formschlusselemente (33) aufweist, mit welchen korrespondierende Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers (2) in formschlüssige Verbindung bringbar sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusselemente (33) des wenigstens einen Tragelements (30,32) und die Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers (2) zur Herstellung einer Rastverbindung ausgebildet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschusselemente (33) des wenigstens einen Tragelements (30,32) vom Tragelement (30,32) vorstehen und einen verbreiterten, insbesondere pilzförmigen Kopf aufweisen und die Formschlusselemente des wenigstens einen Sensorkörpers (2) Ausnehmungen aufweisen, in welche der Kopf die Ausnehmung hintergreifend einsteckbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (30) als flächiges Element ausgebildet ist, dessen Formgebung der Oberflächenform des Handhabungsgeräts entspricht.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Tragelemente (32) als schalenartige, insbesondere gekrümmte, Elemente ausgebildet sind, die gemeinsam wenigstens einen Bereich des Handhabungsgeräts umschließend an diesem anbringbar sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schalenartigen Elemente (32) Verbindungsmittel (34,35,36) zum Verbinden mit wenigstens einem benachbarten schalenartigen Element (32) aufweisen.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusselemente des Sensorkörpers (2) in verdickten Bereichen des Sensorkörpers (2) ausgebildet sind, wobei zwischen den verdickten Bereichen Abstandsbereiche ausgebildet sind, in denen der Sensorkörper (2) vom Tragelement (30,32) bzw. von der Oberfläche des Handhabungsgeräts unter Ausbildung eines gasgefüllten Hohlraums (36) beabstandet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (36) eine-Stützstruktur (40) enthält.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkörper (2) zwischen den verdickten Bereichen eine Durchbrechung (41) aufweist, die den Hohlraum (36) mit der Umgebung verbindet.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrechung (41) durch eine gitterartige Struktur abgedeckt ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (3) und die innerhalb der Hülle (3) angeordnete Stützstruktur (13) sowie die Formschlusselemente des Sensorkörpers (2) miteinander einstückig ausgebildet sind.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (3), die Stützstruktur (13) und die Formschlusselemente des Sensorkörpers (2) durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere schichtweise, wie z.B. durch selektives Lasersintern, hergestellt sind.
13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13) und/oder die Hülle (3) lokal derart verändert ist, dass in einem ersten und in einem zweiten Bereich des Handhabungsgeräts ein voneinander verschiedener Dämpfungsgrad bereitgestellt ist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (13) gegenüberliegende Bereiche der Hülle (3), insbesondere den an der Oberseite des Sensorkörpers (2) angeordneten Bereich der Hülle (3) und den an der Unterseite des Sensorkörpers (2) angeordneten Bereich der Hülle (3), miteinander verbindet.
15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kammer (4) eine eigene Druckerhöhungsvorrichtung (8), vorzugsweise eine insbesondere piezoelektrisch angetriebene Pumpe bzw. ein Gebläse, aufweist.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (10) über eine Steuerschaltung mit der Druckerhöhungsvorrichtung (8) zusammenwirkt, um einen vorgegebenen Gasdruck in der Kammer (4) herzustellen und zu halten.
17. 17. Handhabungsgerät mit einer wenigstens einen Sensorkörper (2) aufweisenden, eine Oberfläche (1) des Handhabungsgeräts zumindest bereichsweise abdeckenden Kollisionserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Handhabungsgerät eine Notabschaltung aufweist, die in Abhängigkeit von den Signalen des Drucksensors (10) aktivierbar ist.
18. 18. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (3) und die Stützstruktur (13) sowie die Formschlusselemente des Sensorkörpers (2) miteinander einstückig mit Hilfe eines generatives Fertigungsverfahrens, insbesondere schichtweise, wie z.B. durch selektives Lasersintern, ausgebildet werden. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen