CN112384333A - 具有桌下机械手的工作设备 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是一种用于部分自动地执行工作步骤的工作设备，所述工作设备包括具有工作台面的工作台和设置在所述工作台面之上的协作工作区域，在所述协作工作区域中能手动地和自动地执行工作步骤，其中，用于执行自动的工作步骤的机械手设置在所述工作台面之下，并且在所述工作台面中存在至少一个开口，所述工作区域通过所述开口对于机械手而言是可接近的。

Description

具有桌下机械手的工作设备

技术领域

本发明涉及一种用于部分自动地执行工作步骤的工作设备，所述工作设备包括具有工作台面的工作台和设置在所述工作台面之上的协作工作区域，在所述协作工作区域中能手动地和自动地执行工作步骤。

背景技术

使用工业机械手是在当今的工业产品生产中重要的组成部分。工业机械手的典型应用包括例如焊接、结合、涂敷、切割、装配、包装、标记、检验或运输和处理(Abfertigen)。工业机械手通常具有以下各组件：包括旋转轴和平移轴的承载结构、设置在所述承载结构上的驱动单元、操作头例如抓取系统、用于预定机械手动作的可编程的控制装置以及用于监测运动学链的位置的内部传感器。

传统上在工业制造环境中机械手的工作区域(亦即以下空间：所述空间在机械手的正常运行中被所述机械手的承载结构、驱动单元或操作头的任意部分占据)在所述机械手的运行期间严格防护以防人员的进入，以便保护所述人员以防由于机械手的工作事故。对此，机械手的工作区域通常用保护挡板或围栏围住并在必要时附加地还利用传感器、例如光栅来监测。

而在推进自动化目标的进程中，对于机械手与人员的严格分离的工作区域的安全范例越来越多地被协作式方案所代替，所述协作式方案拓展人与机器的直接的、物理上的交互。特别是，所述方案的目标是提高制造效率，例如通过以下方式：机械手承担对于人来说在身体上费力的工作，从而人可以更加专注于其优越的认知能力。为了在由人和机器共同使用的工作区域中避免工作事故，这样的协作机械手与外部传感器连接，所述外部传感器给机械手控制装置提供关于在协作工作区域中或在所述协作工作区域的周围环境中工作的人员或其身体部分的位置和运动的信息，从而控制装置一方面可以控制机械手以用于与人员直接交互以便共同实施工作步骤，并且另一方面可以在事故紧急情况下将机械手立刻置于静止状态中或触发其他适当的安全措施。

用于可靠地开动工业机械手的推荐的保护措施在机械标准DIN EN ISO 12100和所应用的协调标准(DIN EN ISO 10218-1,ISO/TS15066)中说明。根据例如以公开文件WO2017/163251 A2和DE 10 2016 002 781 A1以及实用新型文件DE 20 2015 101 621 U1给出的现有技术，用于部分自动地制造产品的、具有用于机械手和人员的协作工作区域的设备包括具有工作台面的工作台和设置在所述工作台面之上的协作工作区域，所述协作工作区域不仅对于站在或坐在所述工作台前的人员而言、而且对于机械手而言是可接近的。所述机械手在现有技术中安装在所述工作台面上或设置在所述工作台面之上、例如安装在工作台的后部结构上或在门架系统上。所述协作工作区域通常还被护栏包围，所述护栏包括用于人员的可关闭的入口。这样的护栏构成冗余的安全措施，所述安全措施附加地确保由机械手自行实施的并且无需与人直接配合工作的工作步骤的安全以防事故。

如以下所说明的那样，根据现有技术的这种工作设备在灵活性和可接近性、规定时间以及投入成本和资格要求方面包含一系列缺点。

机械手在工作台面上或在工作台的后部挡板上的布置在工作设备集成到生产线中时对于材料物流构成强烈限制的边界条件。所述材料物流例如包括由运抵的和运出的构件以及所供应的、要在所述工作设备中装配到所述构件上的各组件组成的材料流。协作工作区域的对于材料物流而言的可接近性受机械手在工作台面上或在后部挡板上的存在所强烈妨碍，从而工作台的庞大的几何尺寸可能是必要的，特别是因为工作设备的为了人员进入而设置的侧面出于安全原因要尽可能保持畅通并且因此不应被用于材料物流。

在使用设置在工作台之上的、用于容纳机械手的门架系统时给出一种对可接近性本质上的改善。现有技术的这种变型方案的缺点是协作工作区域显著地向上扩大，所述协作工作区域不可避免地也包含进行协作的人员的特别敏感的脖颈和头部区域。因此，在这种情况下要采取更耗费的保护措施、例如协作工作的机械手的更复杂的外部传感器或更大面积的围栏。这些相应的由结构形式决定的缺点也直接反映在工作设备在其与不同的生产环境的可集成性方面缺乏灵活性中，并且因此也间接地与高的特定投入成本相关联。

发明内容

因此本发明的目的是，提出一种用于在使用机械手的情况下部分自动地执行工作步骤的设备，所述设备克服现有技术的上述缺点，亦即特别是改善协作工作区域的可接近性和在设备的可集成性方面的灵活性。特别是应尽可能减小在工作台上传感器监测的工作区域。

所述目的从根据权利要求1前序部分所述的设备出发结合各特征部分的特征来实现。本发明的有利的进一步改进方案在各从属权利要求中给出。

本发明包括以下技术教导：机械手在所述工作设备中设置在工作台面之下，所述机械手经由至少一个要设置在所述工作台面中的开口穿过所述工作台面实现对工作区域的接近。对此，本发明从以下思想出发：显著地减小传感器监测的协作工作区域，从而在用于所述工作区域的安全保障而要设置的措施的复杂性、结构空间和投入成本方面相应地优化所述措施。

根据本发明，这通过以下方式实现：机械手在所述工作台面之下设置在所述工作台中，所述机械手仅以其结构的一部分、特别是以操作头从所述工作台出来进入到所述协作工作区域中，以便实施自动的工作步骤。对此，作为用于机械手到工作区域的入口，要在工作台面中设置至少一个适当地设计尺寸的开口。因此，机械手的支撑结构和驱动单元的大部分在执行自动的工作步骤期间保留在工作台面之下，在工作台面之下可以通过非常简单且非常成本有利的保护装置、例如在侧面环绕的硬的挡板来保护所述机械手。根据本发明，要耗费地进行保护的协作工作区域限于在工作台面之上向上明显地减小的体积中，并且可能仅较多地由协作的人员的手介入或在理想状态下仅还由手动引导的工具介入。

由于将机械手移置到工作台面下并且减少用于协作工作区域的保护装置(例如围栏和传感器装置)的结构空间，工作设备的对于材料物流或还有其他协作的人员而言的可接近性提高，因为原则上可以从所有侧面以及从上方灵活地接近工作台面。由此，在工作设备到较大的工作环境中的可集成性方面的灵活性还得到提高，所述灵活性通过以下方式进一步提高：相比于根据现有技术的设备而更紧凑的结构型式也引起整体上更小的空间需要。

协作工作区域对于材料物流和人员而言改善的可接近性在运行流程中通过以下方式导致进一步的经济上的优点：可以缩短预设时间和处理时间并且可以减少错误的出现概率和特定的危险等级。

此外，提出根据本发明的工作设备的各有利的实施方式，所述各有利的实施方式能以适当的形式相互组合。

所述工作台应当这样大地设计尺寸，使得机械手完全地于所述工作台在工作台面之下的结构体积中找到位置。因此，可以与环绕在所述工作台侧面的护栏共同实现所述工作设备的紧凑且独立的结构型式，由此，所述工作设备高度适合用于集成到更大的工作环境、例如生产线中。所述工作台例如可以具有加罩的桌台的形状、亦即固定在四个桌腿上的、具有绕各桌腿环绕的挡板的工作台面。

在有利的实施方式中，作为机械手应使用关节臂机械手(也称为活节臂机械手)。关节臂机械手是具有通常5至7个轴的串联布置结构的工业机械手。关节臂机械手的特征在于在可由所述关节臂机械手实施的工作步骤方面的高灵活性，并且所述关节臂机械手能够一次执行多个工序。根据在根据本发明的工作设备中要执行的工作步骤的复杂性和所通知的处理时间，所使用的机械手也可以具有多个关节臂，其中，在这种情况下应适配工作台的几何尺寸和特别是也应适配在工作台面中设置的、用于进入协作工作区域的开口的数量和/或尺寸。

为了优化材料物流、例如在工作设备集成到生产线中时，可以在所述工作设备上设置缓存处，所述缓存处能从协作工作区域、从工作台面之下的区域以及从工作设备之外的区域接近。这样的缓存处可以承担材料闸(Materialschleuse)的功能，例如用于构件的运达和运离和用于在所述工作设备中要装配到构件上的组件的供应。有利地，所述缓存处应当构造为在所述工作台面中的边缘侧的凹部，从而所述缓存处的实际的存放面设置在所述工作台面的表面之下。为了保证所需的可接近性，所述凹部应当在两个侧面上敞开地构造、即例如具有矩形的器皿的形状，所述矩形的器皿缺少两个对置的侧面，通过这两个对置的侧面存在从所述工作设备之外的区域和从工作台在所述工作台面之下的体积的入口。

在根据本发明的、具有边缘侧的缓存处的工作设备接连排列的情况下，如果这样进行布置，即，使得缓存处对于相应邻接的工作设备的机械手而言是可接近的，则工件或构件的运输可以沿着各工作设备在其工作台面之下进行。为此，必须在相应设置在工作台面下的机械手上设置适当的操作器件、例如在关节臂上的抓取器，所述操作器件为了运输工件的目的可以拿起在一个缓存处中的工件、使其在所述工作台面之下穿过所述工作台的体积运动，并且又将其放下在下一个缓存处上。通过这样的程序可以缩短生产过程的处理时间，因为协作工作区域不必为了在工作设备之间运输工件或构件而被介入，并且协作工作区域因此不受限制地供例如要并行地由人员实施的、手动的工作步骤来使用。

在有利的实施方式中，协作工作区域的安全保障可以借助于光栅系统、例如以光栅的形式进行。应当这样安装所述光栅系统，使得探测出这样的物体：所述物体从工作区域的侧面或之上的区域进入到所述工作区域中，所述物体特别是向内伸手的人员的肢体。所述光栅系统应与机械手的控制装置连接且所述控制装置要这样编程，使得当探测到进入到工作区域中的物体时，由所述控制装置将机械手置于静止状态中和/或触发其他适当的安全措施、例如对操作头断电。

基于根据本发明的以下优点：机械手可以完全地收入到工作台面之下的工作台之内的体积中并且因此可以整体上设置在协作工作区域之外，故机械手的控制装置可以这样有利地编程，使得在实施手动的工作步骤期间，特别是由人员的肢体或由所述人员引导的工具来介入光栅并不导致完全位于所述工作台面之下的机械手被置于静止状态中。由此，能实现与在工作台面之下通过机械手运输构件并行地在工作区域中执行手动的工作步骤。

在另一种有利的实施方式中，根据本发明的工作设备可以适合于在所述协作工作区域之内由机械手和至少一名人员同时实施工作步骤。为此设置以下传感器系统：所述传感器系统对人员的进入到共同使用的工作区域中的身体部分实施位置和运动探测，并且将在此获得的数据同步地供给机械手的控制装置，从而所述控制装置可以使机械手的运动和动作适当地匹配于所述人员的活动。

特别是，这样的传感器系统可以基于对标记的视觉识别。借助于三角测量法可以在三个空间维度中计算标记位置，并因此推断出带有所述标记的物体(例如配设有标记的工作手套或工具)的相应位置和运动。所述传感器系统包括适合用于对协作工作区域进行尽可能严密监测和三角测量的摄像机装置以及主动地发射光或被动反射的标记。

附图说明

下面与对本发明的优选的实施例的描述共同借助附图更详细地示出改进本发明的其他措施。图中：

图1示出根据本发明的工作设备，所述工作设备具有在协作工作区域中执行自动的工作步骤的机械手，

图2示出根据本发明的工作设备，所述工作设备具有在协作工作区域中执行手动的工作步骤的人员和完全地设置在工作台面之下的机械手，以及

图3示出一个包括接连排列的多个根据本发明的工作设备的生产线的局部。

具体实施方式

图1示出根据本发明的工作设备1的横剖视图，所述工作设备具有在协作工作区域3中执行自动的工作步骤的机械手4。工作区域3在工作台2之上从矩形的工作台面21的上侧竖直地向上延伸，在此所述工作区域通过由光栅系统5产生的光栅51限定。工作区域3在侧面通过侧挡板7封闭并且被保护以防人员A接近。相应的侧挡板也设置在工作区域3的两个与图面平行的侧面上(图1中未示出)。从工作台2的位于工作台面21之下的体积到工作区域3的入口通过开口22创造。开口22构成为指向图面中的空隙，所述空隙的几何尺寸设计为用于供机械手4的关节臂41穿过。关节臂41在其端部上引导操作器42来加工构件C。在左边的关节臂41上设置的、实施为抓取器的操作器42适合用于抓取存放在缓存处23中的构件C。器皿形的缓存处23在其平行于图面的两个侧面上敞开，由此能实现用于操作器42的从工作台面21之下的入口。缓存处23延伸直至工作台面21的两个处于图面前或后的边缘中的一个边缘上，从而在该处也可从在工作设备1之外的区域接近缓存处23。机械手4包括基座43以及在高度上可移动的支柱45，所述基座可运动地设置在安装在工作台2的底板24上的轨道44上，所述两个关节臂41附接在所述支柱上。通过沿轨道44和沿支柱45的可移动性扩大机械手4的动作半径，以便利用操作器42一方面可以到达在工作区域3中的所有期望的位置，并且另一方面可以将机械手4完全地从工作区域3收回到工作台2的处于工作台面21下的体积中。机械手4的控制装置40也在工作台2的体积之内设置在底板24上。固定在支脚25上的工作台2在工作台面21之下在全部四个侧面上都被侧挡板26包围，其中，缓存处23所邻接的侧挡板26在缓存处23的区域中必须具有相应的留空部，以便保证从工作设备1之外的区域到存放处23的可接近性。

图2示出根据本发明的工作设备1的横剖视图，所述工作设备具有在协作工作区域3中执行手动的工作步骤的人员A和完全地设置在工作台面21之下的机械手4。光栅系统5在执行手动的工作步骤期间停用。根据图1，协作工作区域3向上通过在执行自动的工作步骤期间被机械手4的一部分所占据的最高位置来限定。为了进一步监测手动的工作步骤，所示出的工作设备1配备有传感器系统6，所述传感器系统探测人员A的实施工作步骤的肢体B的位置和运动。传感器系统6包括多个指向工作区域3中的摄像机61，所述摄像机连续地检测标记62的位置，所述标记设置在人员A的肢体B上(例如借助于带有标记62的手套)，并且也设置到工具D上。这样由传感器系统6获得的数据通过机械手4的控制装置40来处理。因此，在所述加工设备1中以下未示出的情况也是可行的：手动的和自动的工作步骤在协作工作区域3中并行地实施，亦即人的肢体B和机械手4的部分同时在工作区域3中工作。控制装置40将由传感器系统6连续地提供的位置和运动数据用于使机械手4的动作适配于手动的工作步骤，以便避免工作事故、例如以碰撞的形式的工作事故，或以便精确地控制机械手4与人员A的按照计划的交互。对于图2中包含的其他附图标记参见图1的以上描述。

图3以俯视图示出一个具有接连排列的三个根据本发明的工作设备1的生产线的局部。运达和运离的构件C的流向I在图面中从左向右延伸。在各工作设备1中的每一个工作设备上要在构件C上执行手动的和自动的工作步骤，所述工作步骤也包括将沿流向II供应的组件装配到构件C上。构件C在各工作设备1之间的运输沿流向III在工作台面21之下从一个缓存处23延伸至下一个缓存处23。缓存处23可通过在图3中未示出的机械手4接近，而所述机械手不必穿过开口22进入到工作台面21之上的工作区域3中。因此，对于人员A而言可能的是：与这种构件运输同时地利用所述人员的肢体B介入到工作区域3中并且利用工具D执行手动的工作步骤，而不必担心与机械手4发生工作事故。

本发明在其实施方案方面不限于以上给出的优选的实施例。而可设想大量的变型方案，这些变型方案即使在原则上不同的实施方案中也利用示出的解决方案。由权利要求书、说明书或附图得出的所有特征和/或优点、联通结构细节、空间布置和方法步骤无论是单独还是以最广泛的组合形式都可以是对本发明重要的。

附图标记列表

1 工作设备

2 工作台

3 工作台面

22 工作台面开口

23 缓存处

24 底板

25 支脚

26 工作台侧挡板

3 协作工作区域

4 机械手

40 机械手控制装置

41 关节臂

42 操作器

43 基座

44 轨道

45 支柱

5 光栅系统

51 光栅

6 传感器系统

61 摄像机

62 标记

7 工作区域侧挡板

A 人员

B 身体部分

C 构件

D 手动工具

I 构件外部流向

II 组件流向

III 构件内部流向

Claims (9)

1.用于部分自动地执行工作步骤的工作设备(1)，所述工作设备包括具有工作台面(21)的工作台(2)和设置在所述工作台面(21)之上的协作工作区域(3)，在所述协作工作区域中能同时手动地和自动地执行工作步骤，其特征在于，用于执行自动的工作步骤的机械手(4)设置在所述工作台面(21)之下，并且在所述工作台面(21)中存在至少一个开口(22)，所述工作区域(3)通过所述开口对于机械手(4)而言是可接近的。

2.根据权利要求1所述的工作设备(1)，其特征在于，所述工作台(2)设计尺寸为，使得机械手(4)基本上完全地容纳于工作台(2)在工作台面(21)之下的结构体积中。

3.根据权利要求1或2所述的工作设备(1)，其特征在于，所述机械手(4)包括至少一个关节臂(41)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的工作设备(1)，其特征在于，所述工作台面(21)包括至少一个缓存处(23)，所述缓存处位于所述工作区域(3)之下，并且所述缓存处能从工作区域(3)、从工作台面(21)之下的区域以及从工作设备(1)之外的区域接近。

5.根据权利要求4所述的工作设备(1)，其特征在于，所述缓存处(23)设置在边缘侧，使得在多个工作设备(1)接连排列时缓存处(23)相应地也对于邻接的工作设备(1)的机械手(4)而言是可接近的。

6.根据前述权利要求中任一项所述的工作设备(1)，其特征在于，存在光栅系统(5)，利用所述光栅系统能探测物体从所述工作台面(21)之上的区域进入到所述工作区域(3)中。

7.根据权利要求6所述的工作设备(1)，其特征在于，所述光栅系统(5)与机械手(4)的控制装置(40)连接，并且当所述光栅系统(5)探测到物体进入到工作区域(3)中时并且当机械手(4)的至少一个部分位于所述工作区域(3)之内时，能通过所述控制装置(40)将所述机械手(4)置于静止状态中和/或其他适当的安全模式中。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的工作设备(1)，其特征在于，存在传感器系统(6)，利用所述传感器系统能探测人员(A)在实施手动的工作步骤时位于工作区域(3)中的身体部分(B)的位置和运动。

9.根据权利要求8所述的工作设备(1)，其特征在于，通过所述控制装置(40)能将由机械手(4)实施的自动的工作步骤适配于由传感器系统(6)探测到的、人员(A)在实施手动的工作步骤时位于工作区域(3)中的身体部分(B)的位置和运动，以用于避免碰撞或用于按照计划的交互。

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