DE102006044071A1

DE102006044071A1 - Roboter sowie Roboter-Schutzeinrichtung

Info

Publication number: DE102006044071A1
Application number: DE200610044071
Authority: DE
Inventors: Simon Riegel; Friedrich Dr. Lange
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-09-21
Also published as: DE102006044071B4

Abstract

Ein Roboter weist mindestens eine in einem Raum bewegbare Manipulatoreinrichtung (12, 14) auf. Die Manipulatoreinrichtung ist zumindest teilweise von einer Schutzeinrichtung (34) umgeben. Zur Anpassung an unterschiedliche Arbeitsbedingungen und/oder zur Dämpfung eines unvorhergesehenen harten Aufpralls ist das Volumen der Schutzeinrichtung (34) erfindungsgemäß veränderbar. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine Fluidzu- oder -abfuhr zu einem Hohlraum (38) der Schutzeinrichtung (34).

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter sowie eine Roboter-Schutzeinrichtung.
Roboter weisen üblicherweise mehrere Manipulatoreinrichtungen, wie Roboterarme, auf, die über Gelenke miteinander verbunden sind. Die Einsatzmöglichkeiten von Robotern sind in Bereichen, in denen auch Arbeitsgänge von Menschen ausgeführt werden, beschränkt. Dies liegt darin begründet, dass eine Kollision zwischen Mensch und Roboter jederzeit vermieden sein muss. Andererseits ist die Kooperation von Mensch und Roboter vorteilhaft, da beispielsweise schwere Werkstücke vom Roboter einfacher und genauer gehandhabt werden können. Es ist somit wünschenswert, die Arbeitsbereiche eines Roboters und eines Mensches zu koordinieren und einen gemeinsamen Arbeitsraum zu schaffen. Hierdurch ist es möglich, die Kraft und Präzision eines Roboters mit der Flexibilität eines Menschen zu kombinieren.
Um einen gemeinsamen Arbeitsraum von Mensch und Roboter zu ermöglichen, ist es bekannt, den Roboter mit Sensorik zur Detektion möglicher Kollisionen auszustatten. Hierzu werden beispielsweise Kameras vorgesehen, die den Arbeitsraum des Roboters sowie den Aufenthaltsbereich des Menschen bzw. Werkers kontinuierlich überprüfen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die entsprechende Bildverarbeitung aufwändig ist. Ferner sind induktiv oder kapazitiv arbeitende Näherungssensoren bekannt, um eine Detektion möglicher Kollisionen zu gewährleisten. Hierbei besteht jedoch grundsätzlich die Problematik, dass eine bevorstehende Kollision frühzeitig erkannt werden muss, da ein Roboterarm, insbesondere aufgrund seiner Massenträgheit, nur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung reagieren kann. Dies hat zur Folge, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der einzelnen Manipulatoreinrichtungen des Roboters begrenzt werden muss.
Ferner ist es bekannt, die Manipulatoreinrichtung des Roboters mit starren oder weichen Schutzhüllen zu umgeben. Durch die Schutzhüllen soll der mögliche Aufprall gedämpft werden. Die Dämpfungswirkung ist hierbei relativ gering. Ferner ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Manipulatoren wiederum beschränkt, da ansonsten der Impuls der Manipulatoreinrichtung zu groß wäre und Verletzungen hervorgerufen würden.
Ferner sind komplexe redundant aufgebaute Robotersteuerungen bekannt. Bei einer entsprechenden Annäherung des Menschen an den Roboter wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters extrem verlangsamt, um eine Kollision zu vermeiden. Eine derartige Verlangsamung der Manipulatoreinrichtungen des Roboters beeinträchtigt die Effektivität des Roboters erheblich.
Schutzhüllen schränken den Arbeitsbereich des Roboters ein, insbesondere wenn sie zur Dämpfung des Aufpralls von mittleren oder großen Geschwindigkeiten ausgelegt sind. Insbesondere wenn sich die Arbeitsbereiche des Roboters und des Werkers nur teilweise überdecken, sind die Schutzhüllen in Bereichen, in denen der Werker nicht tätig ist, störend. Hierdurch ist der Bewegungsbereich des Robotermanipulators stark beschränkt. Daher ist ein Einbau von Bauteilen in räumlich engen Bereichen durch einen Roboter nicht oder nur noch bedingt möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Roboter zu schaffen, der in einem gemeinsamen Arbeitsbereich mit einem Werker einsetzbar ist und dessen Bewegungsfreiheit insbesondere in einem werkerfreien Arbeitsraum allenfalls geringfügig eingeschränkt ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Roboter-Schutzeinrichtung zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Roboter gemäß Anspruch 1 sowie eine Roboter-Schutzeinrichtung gemäß Anspruch 10.
Der erfindungsgemäße Roboter weist eine in einem Raum, wie einem Arbeitsraum, bewegbare Manipulatoreinrichtung, wie einen Roboterarm, auf. Üblicherweise weist ein Roboter mehrere über Gelenke miteinander verbundene Manipulatoreinrichtungen auf, die mit einer Basis, wie einem Standfuß, verbunden sein können. Der erfindungsgemäße Roboter weist ferner eine die mindestens eine Manipulatoreinrichtung zumindest teilweise umgebende Schutzeinrichtung auf. Hierbei können je Manipulatoreinrichtung mehrere Schutzeinrichtungen vorgesehen sein. Erfindungsgemäß ist die Schutzeinrichtung derart ausgebildet, dass das Volumen der Schutzeinrichtung an die Arbeitsbedingungen und/oder zur Dämpfung eines insbesondere unerwartet harten Aufpralls anpassbar ist. Hierzu ist das Volumen der Schutzeinrichtung veränderbar. Beispielsweise kann die Schutzeinrichtung großvolumig sein, wenn sich die Manipulatoreinrichtung des Roboters in einem gemeinsamen, zusammen mit einem Werker genutzten Arbeitsbereich befindet. Wenn sich die Manipulatoreinrichtung sodann in einem werkerfreien Arbeitsbereich befindet, kann das Volumen der Schutzeinrichtung verringert werden. Hierdurch ist die Bewegungsfreiheit des Manipulators im werkerfreien Arbeitsraum durch die Schutzeinrichtung nicht oder allenfalls geringfügig beeinträchtigt.
Bei der Schutzeinrichtung kann es sich um einen kompressiblen Kunststoff handeln. In großvolumiger Form ist die Schutzeinrichtung sodann nicht komprimiert, jedoch elastisch und kann eine Kollision zwischen dem Werker und dem Manipulator dämpfen. Durch Zusammendrücken, d.h. Komprimieren, der Schutzeinrichtung kann deren Volumen beim Einsatz in einem werkerfreien Arbeitsraum reduziert werden. Hierzu könnte die Schutzeinrichtung beispielsweise Schaumstoffelemente aufweisen, die z.B. von Haltevorrichtungen, wie Folien oder Bändern, umgeben sind. Durch Zusammenziehen der Haltevorrichtung kann das Volumen der Schutzeinrichtungen verringert werden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weist die Schutzeinrichtung mindestens einen Hohlraum auf. Durch Zu- oder Abführen eines Fluids, insbesondere Luft, kann das Volumen des Hohlraums und somit das Volumen der Schutzeinrichtung verändert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Schutzeinrichtung kann als Schutzeinrichtung eine aufblasbare Hülle aus Kunststoff o.dgl. vorgesehen sein. Durch Zu- bzw. Abführen eines Fluids, wie Luft, kann das Volumen der Schutzeinrichtung auf einfache Weise verändert werden.
Zum Zuführen des Fluids zu dem Hohlraum ist die Schutzeinrichtung vorzugsweise mit einer Fluidzuführeinrichtung, insbesondere einer Druckluftbereitstellungseinrichtung, verbunden. Bevorzugt ist hierbei ein Anschluß an die zumeist an den Montagelinien vorgesehene Druckluftversorgung. Dies hat den Vorteil, dass kein gesonderter Kompressor oder eine andere Fluidzuführeinrichtung vorgesehen werden müssen.
Vorzugsweise ist mit dem Hohlraum eine gesonderte Fluidabführeinrichtung, bei der es sich insbesondere um ein Ablassventil handeln kann, verbunden. Die Fluidabführeinrichtung kann zum Abführen des Fluids, insbesondere der Luft, mit dem Druckluftsystem der Montagevorrichtung verbunden sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzeinrichtung zusätzlich mit einem Kollisionsdetektor verbunden. Mit Hilfe des Kollisionsdetektors kann eine Kollision der Schutzeinrichtungen mit einem Fremdkörper detektiert werden. Hierbei kann der Kollisionsdetektor mindestens einen berührungslosen Sensor aufweisen, um eine bevorstehende Kollision zu detektieren. Ferner können Detektoren vorgesehen sein, die eine Berührung mit der Schutzeinrichtung detektieren. Entsprechende Berührungssensoren können unmittelbar in die Schutzhülle integriert sein. Beispielsweise können durch die Berührung Potentialänderungen in der Schutzhülle hervorgerufen werden, die sodann detektierbar sind. Ferner ist es möglich, Detektoren vorzusehen, die eine Verformung der Schutzhülle feststellen, die beispielsweise durch das Auftreten von Dehnungen oder Spannungen in der Schutzhülle erfolgt.
Besonders bevorzugt ist das Vorsehen mindestens eines Drucksensors als Kollisionsdetektor. Mit Hilfe des Drucksensors wird der Druck und/oder eine Druckänderung in dem Hohlraum der Schutzeinrichtung bestimmt. Bei einer einen vorzugsweise vorgegebenen Grenzwert überschreitenden Druckänderung wird diese als Kollision wahrgenommen, und beispielsweise die Bewegung des Roboters abgeschaltet.
Die Schutzeinrichtungen können mit einer Halteeinrichtung zur Lagedefinition der Schutzeinrichtungen verbunden sein. Insbesondere sind die Halteeinrichtungen zur Lagedefinition der Schutzeinrichtungen bei abgelassenem Fluid geeignet. Als Halteeinrichtungen können die Schutzeinrichtung umgebende elastische Bänder, wie Gummibänder u.dgl., vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters ist eine Auslöseeinrichtung zum situationsabhängigen Auslösen der Fluidzuführeinrichtung vorgesehen. Beispielsweise kann als Auslöseeinrichtung ein berührungsloser Sensor vorgesehen sein, bei dem es sich um einen induktiven oder kapazitiven Sensor handeln kann. Sobald eine Kollision bevorsteht, erzeugt die Auslöseeinrichtung ein Signal, das dazu führt, dass die Fluidzuführeinrichtung geöffnet wird und somit das Volumen der Schutzeinrichtung vergrößert wird. Je nach Anwendungsfall und beispielsweise in Abhängigkeit der Bewegungsgeschwindigkeit der Manipulatoreinrichtung kann ein schnelles oder langsames Zuführen des Fluids erfolgen. Wenn es sich beispielsweise um eine Schutzeinrichtung handelt, die nur in Ausnahmefällen aktiv werden muss, kann ausschließlich ein schnelles Zuführen des Fluids vorgesehen sein, so dass die Schutzeinrichtung entsprechend eines Airbags wirkt. In dem Fall kann das Zuführen des Fluids auch unabhängig von einem Druckluftsystem, z. B. durch eine Gaspatrone oder eine chemische Reaktion erfolgen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Roboter-Schutzeinrichtung zum zumindest teilweisen Umgeben eines Robotermanipulators. Die Roboter-Schutzeinrichtung ist derart ausgebildet, dass zur Anpassung an die Arbeitsbedingungen das Volumen der Roboter-Schutzeinrichtung veränderbar ist. Die Roboter-Schutzeinrichtung ist vorzugsweise, wie vorstehend anhand des Roboters erläutert, vorteilhaft weitergebildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Die 1-3 zeigen schematische Darstellungen eines Roboters und eines Werkers mit sich überschneidenden Arbeitsbereichen in unterschiedlichen Arbeitssituationen.
Ein schematisch dargestellter Roboter 10 weist zwei Robotermanipulatoren 12, 14 auf, die über ein Gelenk 16 miteinander verbunden sind. Der Robotermanipulator bzw. der Roboterarm 14 ist durch ein weiteres Gelenk 18 mit einer Basiseinrichtung 20, wie einem Standfuß, verbunden.
Auf einer Werkbank 22, einem Fließband o.dgl. ist ein Werkstück 24 angeordnet. Wenn sich der Roboter 10 in einem werkerfreien Arbeitsraum bzw. Arbeitsbereich 26 (2) befindet, kann der Werker 28 das Werkstück bearbeiten, eine Montage vornehmen etc. Nachdem die von dem Werker 28 durchzuführenden Arbeitsschritte beendet sind, wird das Werkstück von einem schematisch dargestellten Endeffektor 30, der mit dem Manipulator 12 verbunden ist, erfasst (1). Hierbei werden die Manipulatoreinrichtungen 12,14 in einen Werkerbereich 32 verschwenkt, so dass die Gefahr der Kollision zwischen den Manipulatoreinrichtungen 12, 14 und dem Werker 28 besteht.
Um bei einer auftretenden Kollision (3) in einem Bereich 45 eine Verletzung des Werkers zu vermeiden, sind die erfindungsgemäßen Schutzeinrichtungen 34 vorgesehen. Bei den im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Schutzeinrichtungen handelt es sich um die beiden Manipulatoreinrichtungen 12, 14 jeweils einzeln getrennt voneinander umgebende kreiszylindrisch ausgebildete Schutzhüllen. Jede Schutzhülle 36 umgibt einen Hohlraum 38. Die beiden Schutzeinrichtungen können jeweils einzeln oder gemeinsam mit einer Fluidzuführeinrichtung 40 verbunden sein, bei der es sich vorzugsweise um einen Anschluß an die Druckluftbereitstellungseinrichtung handelt. Ferner weist vorzugsweise jede Schutzeinrichtung eine Fluidabführeinrichtung 42 auf, bei der es sich beispielsweise um ein Druckluft-Ablaßventil handelt. Bei einer fluidischen Verbindung mehrerer Schutzeinrichtungen ist ggf. eine gemeinsame Fluidabführeinrichtung 42 ausreichend.
Beim Auftreten einer Kollision, die in 3 als Beispiel des Berührens einer Hand 44 des Werker 28 mit der Schutzeinrichtung 34 dargestellt ist, erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Detektion einer Druckänderung in dem Hohlraum 38. Dies erfolgt durch einen als Kollisionsdetektor dienenden Drucksensor 48.
Zusätzlich oder anstelle der Kollisionsdetektoren 48 können Auslöseeinrichtungen 50, bei denen es sich beispielsweise um Näherungssensoren handelt, vorgesehen sein. Durch die Näherungssensoren 50 kann ein Annähern der Manipulatoreinrichtung 12 an den Werker 28 detektiert werden. Bei einer entsprechenden Detektion einer bevorstehenden Kollision kann die Fluidzuführeinrichtung 40 angesteuert und ein unmittelbares langsames oder schnelles Aufblasen der Schutzeinrichtung erfolgen.
Im herkömmlichen Betrieb (2) wird das von dem Endeffektor 30 aufgenommene Werkstück 24 beispielsweise in eine Vorrichtung oder ein weiteres Werkstück 52 eingesetzt. Da dies im werkerfreien Arbeitsraum 26 erfolgt, ist die Luft aus den Hohlräumen 38 der Schutzeinrichtungen 34 vorzugsweise abgelassen. Dies hat den Vorteil, dass der Manipulator 12 das Werkstück 24 auch in engen Räumen 54 handhaben kann, in denen die Schutzeinrichtungen 34 in aufgeblasenem Zustand die Bewegungsmöglichkeit beeinträchtigen oder gar verhindern würden. Mit Hilfe von Halteeinrichtungen 56, bei denen es sich um Gummibänder o.dgl. handeln kann, werden die Schutzeinrichtungen in nicht aufgeblasenem Zustand in einer Lage gehalten, in der sie möglichst eng an den Manipulatoreinrichtungen 12, 14 anliegen, um ein Beeinträchtigen der Bewegungsfreiheit des Roboters 10 zu verhindern.

Claims

Roboter, mit mindestens einer im Raum bewegbaren Manipulatoreinrichtung (10, 14) und einer die Manipulatoreinrichtung (10, 14) zumindest teilweise umgebenden Schutzeinrichtung (34), dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Schutzeinrichtung (34) zur Anpassung an die Arbeitsbedingungen und/oder zur Dämpfung eines Aufpralls veränderbar ist.
Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (34) mindestens einen Hohlraum (38) aufweist, dessen Volumen durch Zu- bzw. Abfuhr eines Fluids, insbesondere Luft, veränderbar ist.
Roboter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (38) mit einer Fluidzuführeinrichtung (40), insbesondere einer Druckluftbereitstellungseinrichtung, verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (38) mit einer Fluidabführeinrichtung (42), insbesondere einem Ablassventil, verbunden ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (34) mit einem Kollisionsdetektor (48) zum Detektieren einer Kollision der Schutzeinrichtung mit einem Fremdkörper (44) verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollisionsdetektor (48) einen Drucksensor zur Bestimmung des Drucks und/oder einer Druckänderung in dem Hohlraum (38) aufweist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch eine Halteeinrichtung (56) zur Lagedefinition der Schutzeinrichtung (34), insbesondere bei abgelassenem Fluid.
Roboter nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine Auslöseeinrichtung (50) zum situationsabhängigen Auslösen der Fluidzuführeinrichtung (40).
Roboter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslöseeinrichtung (50) eine berührungslose Sensoreinrichtung, insbesondere eine kapazitive oder induktive Näherungssensorik, aufweist.
Roboter-Schutzeinrichtung zum zumindest teilweisen Umgeben eines Roboter-Manipulators (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Roboter-Schutzeinrichtung (34) zur Anpassung an die Arbeitsbedingungen veränderbar ist.