DE102006057843B4

DE102006057843B4 - Industrieroboter

Info

Publication number: DE102006057843B4
Application number: DE102006057843A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Frommberger Mirko; Dipl.-Ing. Jörg Stefan; Dr. Lange Friedrich; Jörg Langwald; Dipl.-Ing. Meusel Peter; Simon Riegel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: DE102006057843A1

Abstract

Industrieroboter (10) mit mindestens einem Manipulatorelement (17), dadurch gekennzeichnet, dass dem Manipulatorelement (17) in seiner Arbeitsstellung nicht-elektrische Notabschaltungs-Speicherenergie zugeordnet ist, die bei einer Notabschaltung frei gegeben wird und das ungebremste oder bremsenlose Manipulatorelement (17, 18, 19) zwangsweise aus einer Arbeitsstellung in eine proximale Ruhestellung bewegt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Industrieroboter mit mindestens einem Manipulatorelement.
Industrieroboter finden u. a. Anwendung bei Montagearbeiten an einem Basisbauteil auf einer Fördereinrichtung und/oder in Gruppen von mindestens zwei Industrierobotern, die miteinander bei einer Montage an einem Basisbauteil kooperieren. Bei einer Notabschaltung der Fördereinrichtung werden zur Vermeidung von Kollisionen die Manipulatorelemente des Industrieroboters unter Berücksichtigung der jeweiligen Geschwindigkeit der Fördereinrichtung durch die Industrieroboter-Aktuatoren in eine Ruhestellung bewegt. Bei einer Notabschaltung des Industrieroboters steht unter Umständen jedoch keine Versorgungsenergie zum Betrieb der Aktuatoren zur Verfügung oder können die Aktuatoren durch ihren Ausfall oder durch einen Ausfall der Steuerung nicht so angesteuert werden, dass die Manipulatorelemente die Ruhestellung erreichen. Da die Fördereinrichtung, selbst wenn sie daraufhin abgebremst wird, jedoch noch weiter läuft bzw. die kooperierenden Industrieroboter ggf. weiter arbeiten, sind Kollisionen nahezu unvermeidlich, durch die ein auf der Fördereinrichtung bewegtes Basisbauteil, ein von einem Manipulatorelement gehaltenes Anbauteil oder ein anderer kooperierender Industrieroboter beschädigt werden können.
Aus DE 101 95 708 ist ein Industrieroboter bekannt bei dem den Manipulatorelementen Bremsen zugeordnet sind. Durch die Bremsen lassen sich die Bewegungen der Manipulatorelemente kontrollieren. Darüber hinaus lasen sich die Bremsen auch nutzen für den Fall einer Notabschaltung.
In US 4,441,854 wird ein Notabschaltungssystem beschrieben, bei dem Druckluft genutzt wird, die im Falle eines Stromausfalls freigegeben wird, um damit einen Aktuator, der einem Manipulatorelement zugeordnet ist, zu aktivieren, der die Bewegung des Manipulatorelements stoppt.
Aufgabe der Erfindung ist es dem gegenüber, einen Industrieroboter mit verringerter Kollisionsgefahr im Falle seiner Notabschaltung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Industrieroboter ist dem Manipulatorelement nicht-elektrische Notabschaltungs-Speicherenergie zugeordnet, deren Energie bei einer Notabschaltung freigegeben wird und das ungebremste oder bremsenlose Manipulatorelement zwangsweise aus einer Arbeitsstellung in eine Ruhestellung bewegt. Das Manipulatorelement kann ein Endeffektor zum Ergreifen eines Gegenstandes, z. B. eines Anbauteils, sein, kann jedoch auch ein Roboterarmelement mit mindestens einem Freiheitsgrad sein. Durch das Vorsehen der nicht-elektrischen Notabschaltungs-Speicherenergie kann auch bei einer Notabschaltung, insbesondere bei einer Notabschaltung des betreffenden Industrieroboters, sichergestellt werden, dass die Manipulatorelemente den Bewegungsbereich der Fördereinrichtung und/oder den Wirkungsbereich der anderen kooperierenden Industrieroboter verlassen. Dadurch können Kollisionen zwischen dem abgeschalteten Industrieroboter und den anderen kooperierenden Industrierobotern bzw. der Fördereinrichtung zuverlässig verhindert werden. Die Notabschaltungs-Prozedur des Industrieroboters ist unabhängig von entsprechenden koordinierten Prozeduren der anderen kooperierenden Industrieroboter bzw. des Förderbandes.
Als nicht-elektrische Energiespeicher zur Speicherung der Notabschaltungs-Speicherenergie kommen insbesondere Federelemente und Treibsätze in Frage. Die Notabschaltungs-Speicherenergie kann jedoch auch aus der Lageenergie des betreffenden Manipulatorelementes in seiner Arbeitsstellung bestehen. Mit Lageenergie ist die potentielle Energie des Manipulatorelementes gemeint, die sich aus der vertikalen Höhe des Manipulatorelementes in seiner Arbeitsstellung gegenüber der vertikalen Höhe in der Ruhestellung und aus der Erdbeschleunigung ergibt.
Das betreffende Manipulatorelement kann ein Roboterarmelement mit mindestens einem Freiheitsgrad sein. Insbesondere kann das Manipulatorelement ein Element eines mehrachsigen Roboter-Knickarms sein. Das betreffende Manipulatorelement kann aber auch ein Endeffektor, beispielsweise eine Greifvorrichtung sein.
Vorzugsweise ist das Manipulatorelement ein Greifer mit mehreren Greiferfingern, und ist vorzugsweise ein Fahrzeugrad-Greifer. Den Greiferfingern sind jeweils Energiespeicher zugeordnet, die Notabschaltungs-Speicherenergie speichern. Bei einer Notabschaltung muss sichergestellt werden, dass eine Verbindung zwischen dem Industrieroboter und einem Basisbauteil, an dem ggf. ein Anbauteil montiert wird, gelöst wird, um alle Manipulatorelemente und insbesondere den oder die Endeffektoren in eine Ruhestellung außerhalb des Basisbauteiles bewegen zu können. Beispielsweise kann der Endeffektor ein Anbauteil halten, das an dem Basisbauteil montiert wird. Eine solche Konstellation ist beispielsweise bei der automatischen Montage von Fahrzeugrädern an einer Fahrzeug-Radaufhängung bei der Fahrzeugmontage vorzufinden. Sobald das Fahrzeugrad unverlierbar an der Radaufhängung befestigt ist, muss der Fahrzeugrad-Greifer das Fahrzeugrad loslassen, bevor die Manipulatorarme des Industrieroboters in eine Ruhestellung bewegt werden können. Daher sind auch die Greiferfinger eines einen Endeffektor bildenden Fahrzeugrad-Greifers von dem Fahrzeugrad zu lösen und so weit von ihm zu entfernen, dass die Bewegung der Manipulatorarme keine Kollision im Bereich des Greifers bewirkt.
Grundsätzlich können die Greiferfinger bzw. kann der Greifer bzw. der Fahrzeugrad-Greifer nach Öffnen des Greifers auch durch die Manipulatorarme zurückgezogen werden, so dass die Greiferfinger von dem Anbauteil bzw. dem Fahrzeugrad abgezogen werden. Beim Montieren der Vorderräder eines Fahrzeuges an der Vorderradaufhängung ist bei eingeschlagener Vorderradaufhängung die Axiale nicht identisch mit der Bewegungsrichtung des Endeffektors bei der Bewegung aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung. Wenn der Industrieroboter sich nicht mit dem Basisbauteil, also dem Fahrzeug mitbewegt, sondern ortsfest steht, besteht ferner immer dann die Gefahr von Kollisionen des Endeffektors, wenn die Manipulatorarme nicht genau senkrecht zur Bewegungsrichtung des Basisbauteiles stehen. In beiden Fällen besteht die Gefahr des Verkantens des Greifers bzw. des Fahrzeugrad-Greifers an dem Anbauteil bzw. dem Fahrzeugrad oder, bei weit geöffnetem Greifer, an dem Kotflügel, wenn die Greiferfinger des Fahrzeuggreifers nicht selbsttätig in eine Ruheposition fahren.
Alternativ kann das Manipulatorelement eine Endeffektor-Basis aufweisen, die auf einem an einem Manipulatorarm befestigten Schlitten sitzt, dem ein Axial-Federelement als Energiespeicher zugeordnet ist. Auf der durch einen Schlitten geführten Endeffektor-Basis kann ein Fahrzeugrad-Greifer und/oder ein Fahrzeugrad-Schrauber vorgesehen sein. Durch die schlittengeführte Endeffektor-Basis werden alle Endeffektoren, also der Fahrzeugrad-Greifer und/oder der Fahrzeugrad-Schrauber, axial zur fahrzeugseitigen Radnabe von der Radnabe abgezogen. Es muss also nicht für jedes einzelne Element eines Endeffektors bzw. jeden Endeffektor eine eigene Notabschaltungs-Mechanik vorgesehen werden. Die schlittengeführte Endeffektor-Basis ist insbesondere dann eine einfache, effektive Lösung, wenn auf der Endeffektor-Basis sowohl ein Fahrzeugrad-Greifer, als auch ein hiermit starr verbundener Fahrzeug-Schrauber angeordnet sind.
Die Axial-Federelemente, die den Greiferfingern, bzw. dem Schlitten zugeordnet sind, können durch Fluid-Zylinder in der Arbeitsposition gehalten werden. Im Störungsfall wird ein Ventil des Zylinders geöffnet, so dass das Fluid schnell entweichen kann, und das Axial-Federelement die betreffenden Teile in die Ruheposition bewegen kann.
In einer weiteren Ausführungsform kippen die beiden Greiferfinger nach dem Lösen einer Verriegelung auf Grund der Greifkraft seitlich weg oder beschreiben eine andere Ausweichbewegung.
Vorzugsweise ist eine Bremsenabschaltungs-Vorrichtung vorgesehen, durch die bei einer Notabschaltungs-Situation die Bremsvorrichtung des betreffenden Gelenks zum Abbremsen von Bewegungen des Manipulatorelementes endgültig oder vorrübergehend abgeschaltet wird, um die Bewegung des Manipulatorelementes aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung nicht zu behindern. Alternativ kann das betreffende Manipulatorelement bzw. Gelenk auch bremsvorrichtungsfrei ausgebildet sein. Im Fall eines fluidischen Greifers wird ein Ventil geöffnet, wodurch die Greiferenergie abgeführt wird und damit ein Öffnen des Greifers bewirkt.
Der Energiespeicher bzw. die Speicherenergie kann eine annähernd kartesische Bewegung des betreffenden Manipulatorelementes in die Ruhestellung bewirken. Der Energiespeicher kann jedoch alternativ auch jeweils einem Aktuator bzw. einem Gelenk zugeordnet sein, insbesondere einem Motor in einem Gelenk zwischen zwei Roboterarmelementen, und eine nicht-kartesische Bewegung in die Ruhelage bewirken wird.
Dem betreffenden Manipulatorelement ist vorzugsweise ein Anschlagdämpfer zugeordnet, der die Manipulatorelement-Bewegung in die Ruhestellung abbremst, um starke Kollisionen des in die Ruhestellung zurückschnellenden Manipulatorelementes mit anderen Teilen des Industrieroboters zu vermeiden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung greift der Anschlagdämpfer erst kurz vor Erreichen der Ruhestellung ein, d. h. erst kurz bevor das betreffende Manipulatorelement seine Ruhestellung erreicht hat.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters mit einem als Federelement ausgebildetem Notabschaltungs-Energiespeicher,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters mit durch Lageenergie des betreffenden Manipulatorelementes gebildeter Notabschaltungs-Speicherenergie,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters, der sowohl einen als Federelement ausgebildeten Energiespeicher als auch durch Lageenergie gespeiste Speicherenergie aufweist,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters mit sowohl einem als Federelement ausgebildeten Notabschaltungs-Energiespeicher, als auch mit durch Lageenergie gespeister Speicherenergie,
5 ein Ausführungsbeispiel eines als Fahrzeugrad-Greifer ausgebildeten Endeffektors mit als Federelement ausgebildeten Notabschaltungs-Energiespeichern an jedem Greiferfinger,
6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Greifer-Fingers mit einem Notabschaltungs-Energiespeicher,
7 eine zweite Ausführungsform einer auf einem Schlitten befestigten Endeffektor-Basis, die einen Fahrzeugrad-Greifer und einen Fahrzeugrad-Schrauber trägt, und
8 die Anordnung der 7 in Draufsicht.
In der 1 ist ein Industrieroboter 10 dargestellt, der dazu dient, ein nicht dargestelltes Anbauteil an einem Basisbauteil 12 zu montieren, das auf einer Fördereinrichtung 14 kontinuierlich in horizontaler Richtung bewegt wird. In der 1 ist die Förderachse die Normale der Darstellungsebene.
Der Industrieroboter 10 weist mehrere Manipulatorelemente auf, nämlich einen auf einer ortsfesten Basis 15 um eine Vertikalachse drehbaren Drehturm 16, ein an dem Drehturm 16 um eine Horizontalachse schwenkbar befestigtes erstes Roboterarmelement 17, ein an einem Längsende des ersten Roboterarmelements 17 um eine Horizontalachse schwenkbar befestigtes zweites Roboterarmelement 18 und einen an einem Längsende des zweiten Roboterarmelementes 18 um eine Horizontalachse schwenkbar befestigten dritten Roboterarm 19 mit einem nicht dargestelltem Endeffektor in Form einer Greifvorrichtung. Die Manipulatorelemente 16 bis 19 sind jeweils durch Gelenke 23, 24, 25 drehbar bzw. schwenkbar miteinander verbunden. Weitere Gelenke ermöglichen eine Drehung des Endeffektors um Achsen, die der Längsrichtung der Elemente 18 und 19 entsprechen, was hier aber nicht von Bedeutung ist.
Der Drehturm 16 ist mit der ortsfesten Basis 15 mit einem weiteren Drehgelenk 22 verbunden. Jedem der Gelenke 22 bis 25 ist als Aktuator jeweils ein Elektromotor zugeordnet, der an dem betreffenden Gelenk 22 bis 25 ein Drehmoment generiert, bzw. auch Haltekräfte und Bremskräfte erzeugen kann.
Das Basisbauteil 12 der 1 weist an der Montageseite unterhalb des Montageortes einen Absatz 30 auf. Dieser Absatz 30 macht es erforderlich, die Manipulatorelemente 18, 19, die während der Montage in die Kontur des Basisbauteiles 12 eingreifen, nach oben und von dem Basisbauteil 12 weg zu bewegen, wenn eine Notabschaltung des Industrieroboters 10 und/oder der Fördereinrichtung 14 dies erforderlich macht.
Während das zweite Gelenk 23 zwischen dem Drehturm 16 und dem ersten Roboterarmelement 17 keine separate mechanische Bremse aufweist, weisen die übrigen Gelenke 22, 24, 25 separate mechanische Bremsen auf, die bei einer Notabschaltung eingreifen und die betreffenden Gelenke blockieren. Bei einer Notabschaltung des Industrieroboters 10 bleibt das zweite Gelenk 23 also ungebremst und beweglich.
Der Industrieroboter 10 weist als Notabschaltungs-Energiespeicher 40 zur Speicherung von Notabschaltungs-Speicherenergie ein Federelement 42 auf. Das Federelement 42 ist mit seinem einen Ende an einem Federbügel 44 befestigt, der ortsfest an dem Drehturm 16 befestigt ist. Das andere Ende des Federelementes 42 ist im Bereich des dritten Gelenkes 24, das ist das Gelenk zwischen dem ersten Roboterarmelement 17 und dem zweiten Roboterarmelement 18, an dem ersten Roboterarmelement 17 befestigt.
Das erste Roboterarmelement 17, das zweite Roboterarmelement 18 und das dritte Roboterarmelement 19 bilden zusammen einen mehrachsigen Knickarm 20.
Im Normalbetrieb arbeitet der Aktuator des zweiten Gelenks 23 gegen die von dem Federelement 42 aufgebrachte Vorspannung an. Bei einer Notabschaltung erzeugt der dem zweiten Gelenk 23 zugeordnete Aktuator kein Drehmoment mehr, das dem von dem Federelement 42 erzeugten Drehmoment entgegen wirkt. Das Federelement 42 bewirkt bei einer Notabschaltung daher eine Drehung des ersten Roboterarmelementes 17 um das zweite Gelenk 23 zwischen dem Drehturm und dem ersten Roboterarmelement 17 in proximaler Richtung, d. h. nach oben in Richtung auf den Federbügel 44 zu. Die übrigen Gelenke 22, 24, 25 werden durch die ihnen zugeordneten Bremsvorrichtungen blockiert. Der gesamte Knickarm 20 und der Endeffektor 19 werden also um das zweite Gelenk 23 herum nach oben proximal von dem Basisbauteil 12 weggeschwenkt, d. h. aus der Arbeitsstellung in eine Ruhestellung bewegt. In der Ruhestellung besteht keine Kollisionsgefahr mehr mit dem Basisbauteil 12.
Statt eines bremsvorrichtungsfreien zweiten Gelenks 23 kann auch eine Bremsenabschaltungs-Vorrichtung vorgesehen sein, die in dem Fall einer Notabschaltung durch Abschalten der betreffenden Bremsvorrichtung vorsieht, dass das zweite Gelenk 23 ungebremst bleibt. Die übrigen Gelenke 22, 24, 25 werden jedoch durch die ihnen zugeordneten Bremsvorrichtungen sofort gebremst. Die Bremsenabschaltungs-Vorrichtung kann so programmiert sein, dass nach einer eingestellten Zeitdauer, beispielweise nach wenigen Sekunden nach der Notabschaltung, die Bremsvorrichtung aktiviert wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass alle Gelenke 22 bis 25 gebremst sind, nachdem die Ruhestellung eingenommen ist.
Eine Verzögerung des Aktivierens der Bremsvorrichtung ist bei den üblicherweise verwendeten Bremsvorrichtungen aber nur dann problemlos möglich, wenn die Notabschaltung nicht durch ausfallende Energieversorgung ausgelöst wird. Eine verzögerte Aktivierung der Bremsvorrichtung lässt sich auch für den Fall ausfallender Energieversorgung realisieren, wenn ein elektrischer Energiespeicher, wie beispielsweise ein Kondensator, die Energieversorgung der Bremsschaltungs-Vorrichtung und der Bremsvorrichtung für den Zeitraum bis zum Erreichen der Ruhestellung sicherstellt.
Bei nicht-elektrischen Aktuatoren, also beispielsweise bei pneumatischen oder hydraulischen Aktuatoren, werden diese und ggf. die Bremsvorrichtungen beispielsweise durch das Öffnen oder Schließen von Ventilen oder die Umleitung von gespeicherten Fluiden betätigt. Dies betrifft insbesondere Aktuatoren im Bereich der Endeffektoren.
Falls die Notabschaltung nicht durch einen Ausfall der Energieversorgung verursacht ist, werden bei der Notabschaltung zunächst alle Aktuatoren abgeschaltet.
Dem Manipulatorelement 17, dem der Notabschaltungs-Energiespeicher 40 zugeordnet ist, das ist im vorliegenden Beispiel der 1 das erste Roboterarmelement 17, ist in Bezug auf das zweite Gelenk 23 ein nicht dargestellter Anschlagdämpfer zugeordnet, der die Bewegung des ersten Roboterarmelements aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung kurz vor Erreichen der Ruhestellung abbremst. Der Anschlagdämpfer hat sowohl federnde als auch dämpfende Eigenschaften. Hierdurch wird ein harter Aufprall des nach proximal und in Richtung des Federelements 42 geschwenkten ersten Roboterarmelements an einen drehturmseitigen Endanschlag vermieden.
In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bewegung des Knickarmes 20 aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung auf kartesischer Ebene. Dies wird durch das Federelement 42 realisiert.
Das Federelement 42 und der Federbügel 44 sind so ausgelegt, dass das Federelement 42 kraftfrei eingehängt werden kann, wenn jedenfalls das zweite Gelenk 23 in der Ruhestellung steht. Der Federweg ist so ausgelegt, dass die horizontale Ausdehnung des Arbeitsraums in Arbeitshöhe nicht eingeschränkt ist. Die Höhe des Befestigungspunktes des Federelementes 42 wird so bestimmt, dass auch bei ausgestrecktem ersten Roboterarmelement 17, d. h. bei nahezu horizontal stehendem ersten Roboterarmelement 17, das von dem Federelement 42 erzeugte Drehmoment zum proximalen Aufrichten des ersten Roboterarms 17 noch ausreicht.
Die Federkraft f des Federelementes 42 ist durch f = K_x·Δx gegeben, wobei Δx die Auslenkung des Federelementes 42 aus seiner Ruhelage und K_x die kartesische Steifigkeit des Federelementes 42 ist. Die Federkraft erzeugt in dem ungebremsten Gelenk 23 ein Moment τ = f·l·sin(α) wobei l die Länge der Verbindungslinie zwischen dem Angriffspunkt des Federelementes 42 und dem ungebremsten zweiten Gelenk 23 ist, und α der Winkel zwischen dieser Verbindungslinie und der Federelement-Kraftrichtung ist. Anstelle der skalaren Gleichung kann auch das Kreuzprodukt der entsprechenden Vektoren gebildet werden. τ ist die Komponente des resultierenden Vektors, die dem Freiheitsgrad des ungebremsten zweiten Gelenks 23 entspricht.
Wenn die Bewegung in die Ruhstellung entgegen der Schwerkraft erfolgt, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel der 1 der Fall ist, muss das durch die Federkraft des Federelementes 42 erzeugte Moment τ das richtige Vorzeichen haben und betragsmäßig größer sein, als dasjenige, das das Gewicht der zur bewegenden Masse ausgleicht, also |τ| > Σm_i·l_i·g, wobei mit m_i die Massen der in die Berechnung eingehenden Einzelteile und mit l_i der jeweilige Hebelarm von dem ungebremsten zweiten Gelenk 23 bezeichnet sind. g ist die Gravitationskonstante.
Damit ergibt sich eine Bewegung Θ·α .. = τ – Σm_i·l_i·g, wobei α .. die Gelenkbeschleunigung des ungebremsten Gelenks ist und Θ das wirksame Trägheitsmoment darstellt, das sich stellungsabhängig aus den bewegten Elementen und der Lastmasse ergibt.
Wenn die Bewegung der betreffenden Teile aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung alleine durch Schwerkraft erfolgt, ist der Industrieroboter im Wesentlichen durch den Wegfall der sonst üblichen Bremsvorrichtung an dem betreffenden Gelenk gekennzeichnet. Die Bewegungsgleichung lautet dann: Θα = –Σm_i·l_i·g.
Sofern mehrere ungebremste Gelenke durch eine oder mehrere Federelemente, die ein Gesamtmoment τ erzeugen, oder nur durch die Schwerkraft bewegt werden, ergibt sich für jedes Gelenk, abgesehen von Kopplungen zwischen den Gelenken, eine entsprechende Bewegungsgleichung, aus der sich schließlich die Bewegung des gesamten Industrieroboters durch zweimalige Integration bestimmen lässt.
Der Notabschaltungs-Energiespeicher kann alternativ zu dem in der 1 dargestellten Eingriff auf kartesischer Ebene durch Eingriff auf Gelenkebene erfolgen, beispielsweise durch eine Drehfeder im Bereich des ungebremsten zweiten Gelenkes 23. Eine derartige Drehfeder erzeugt bei einer definierten Arbeitsstellung des Industrieroboters 10 ein definiertes Moment mit τ = K_α·Δα
Dabei ist K_α die Drehsteifigkeit der betreffenden Drehfeder und Δα die Winkeldifferenz des betrachteten ungebremsten zweiten Gelenks 23 zwischen seiner Arbeitsstellung und seiner Ruhestellung. Ein Eingriff auf Gelenkebene kann Vorteile bringen, wenn mehrere Gelenke ungebremst sind, da dann die Bewegung in die Ruhestellung robuster voraus bestimmt werden kann. Bei einem rein kartesischem Eingriff muss dagegen in dem Fall mehrerer ungebremster Gelenke damit gerechnet werden, dass kleine Abweichungen von der angenommenen Arbeitsstellung andere Bewegungen und ggf. auch andere Ruhestellungen ergeben.
Bei der Auslegung der linearen oder rotatorischen Federelemente muss einerseits berücksichtigt werden, dass in allen zur Bearbeitung der Anwendungsaufgabe möglichen Arbeitsstellungen ein genügend großes Moment vorlegt, andererseits aber das Moment auch in keiner dieser Arbeitsstellungen die im Betrieb erforderliche Roboterbewegung durch unzulässig hohe Momente behindern oder verhindern darf. Dadurch ergeben sich Bedingungen für die Ruhelage und die Befestigungspunkte der Federelemente. Bei einem großen Bereich der zulässigen Arbeitsstellungen liegen die Befestigungspunkte eines kartesischen Federelementes 42 meist weit von der Basis 15 entfernt.
Außen an dem Industrieroboter 10 angebrachte lineare Federelemente 42 bieten im Gegensatz zu Drehfederelementen in bzw. an dem betreffenden Gelenk den Vorteil, von dem Benutzer relativ einfach ausgetauscht werden zu können. Hierdurch ist eine Umrüstung auf eine neue Anwendung auf einfache Weise möglich.
Bezüglich der Steuerung des Industrieroboters 10 wirken lineare Federelemente oder Drehfederelemente ähnlich wie die Schwerkraft, also durch Ausübung einer Kraft oder eines Momentes auf die betroffenen Gelenke. Bei herkömmlichen Steuerungen, die die einzelnen Aktuatoren unabhängig voneinander regeln und die Schwerkraft nicht explizit berücksichtigen, ist somit keine wesentliche Beeinträchtigung des dynamischen Verhaltens zu erwarten, sofern die zusätzlichen Kräfte oder Momente durch den oder die Notabschaltungs-Energiespeicher 40 nicht zu hoch sind. Bei absolut genau kalibrierten Industrierobotern ist dagegen eine Kalibration nach Montage der linearen Federelemente bzw. Drehfederelemente vorzunehmen, da sonst die erwartet hohe Genauigkeit nicht realisiert werden kann.
Ein linearer Dämpfer oder ein Drehdämpfer wirkt grundsätzlich geschwindigkeitsabhängig und kann dadurch das Beschleunigungsvermögen der Aktuatoren beeinträchtigen. Daher sind die Anschlagdämpfer so auszulegen, dass sie nur in der Nähe der Ruhestellung im Eingriff sind, wohingegen sie außerhalb der Nähe der Ruhestellung keine oder nur geringe Kräfte oder Momente ausüben. Der Anschlagdämpfer kann auch Federelemente oder andere Elastizitäten aufweisen, die ebenfalls nur in der Nähe der Ruhestellung im Eingriff sind, wie beispielsweise Anschlagdämpfer, die Bestandteile der betreffenden Endanschläge sind.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters 50 dargestellt, der bezüglich seiner Manipulatorelemente dem Industrieroboter 10 der 1 entspricht. Der Industrieroboter 50 der 2 unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass nicht das zweite Gelenk 52, sondern das dritte Gelenk 53 zwischen den beiden Roboterarmelementen 17, 18 ungebremst ist und bei einer Notabschaltung gebeugt wird.
Das Basisbauteil 12' weist einen obenseitigen Absatz 30' auf, der ein Herausschwenken des Roboterarmelementes 19 bzw. des Roboterarmelementes 18 nach oben ausschließt und ein Herausschwenken nach unten erforderlich macht.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 2 ist die Notabschaltungs-Speicherenergie nicht durch einen separaten Energiespeicher realisiert, sondern die Notabschaltungs-Speicherenergie wird alleine durch die Lageenergie gebildet, die bei einer Notabschaltung durch die Masse und die Lage der ungebremsten Teile dafür sorgt, dass die betreffenden Manipulatorelemente durch die Schwerkraft aus der dargestellten Arbeitsstellung in eine Ruhestellung bewegt werden.
Bei einer Notabschaltung erzeugen die den Gelenken 52, 53, 25 zugeordneten elektrischen Aktuatoren kein Drehmoment mehr. Jedenfalls das zweite Gelenk 52 weist eine Bremsvorrichtung auf, die bei einer Notabschaltung eingreift und das zweite Gelenk 52 bremst bzw. fixiert. Das dritte Gelenk 53 und ggf. auch das vierte Gelenk 25 sind bremsvorrichtungsfrei. Alternativ kann eine Bremsabschaltungs-Vorrichtung hier vorgesehene Bremsvorrichtungen im Falle einer Notabschaltung abschalten, so dass die Bremsvorrichtungen des dritten Gelenkes 53 und ggf. des vierten Gelenks 25 bei einer Notabschaltung nicht abbremsend eingreifen können.
Bei einer Notabschaltung fallen also das zweite Roboterarmelement 18 und das dritte Roboterarmelement 19 nach unten, und drehen um das dritte Gelenk 53, so dass sie sich gleichzeitig in proximaler Richtung bewegen. Hierdurch gelangen das zweite Rotorarmelement 18 und das dritte Roboterarmelement 19 aus der Kontur des Basisbauteils 12' heraus, so dass eine Kollisionsgefahr ausgeschlossen ist.
Zwischen dem Drehturm 16 und dem zweiten Rotorarmelement 18 ist ein Anschlagdämpfer 58 vorgesehen, der die Bewegung aus der Arbeitsstellung in eine Ruhestellung in der Nähe der Ruhestellung abbremst.
Der in der 3 dargestellte Industrieroboter 10 ist eine Kombination der Industrieroboter 10, 50 der 1 und 2. Sowohl das zweite Gelenk 23 als auch das dritte Gelenk 53 sind angebremst, wobei beiden Gelenken 23, 53 jeweils Speicherenergie zugeordnet ist. Dem zweiten Gelenk 23 ist ein Federelement 42 als Energiespeicher zugeordnet, während dem dritten Gelenk 53 als Notabschaltungs-Speicherenergie die Lageenergie zugeordnet ist, die sich aus der höhenmäßigen Schwerpunktlage des zweiten Roboterarmelements 18 und des dritten Roboterarmelements 19 bzw. aus ihrer Gewichtskraft ergibt. Bei einer Notabschaltung ergibt sich hieraus eine weitgehend horizontale Bewegung des dritten Roboterarmelements 19 aus seiner Arbeitsstellung in eine proximale Ruhestellung.
In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Industrieroboters 70 dargestellt, bei dem das zweite Gelenk 23 und das dritte Gelenk 53 in gleicher Weise, wie bei dem Industrieroboter 60 der 3, ungebremst ausgebildet sind.
Das als Notabschaltungs-Energiespeicher 40 fungierende Federelement 42 ist jedoch nicht, wie in dem Ausführungsbeispielen der 1 und 3, an dem ersten Roboterarmelement 17 befestigt, sondern über einen Hebelarm 72, der den zweiten Roboterarmelement 18 proximal verlängert, mit dem zweiten Roboterarmelement 18 verbunden.
Das Federelement 42 wirkt in Bezug auf das erste Roboterarmelement 17 als Notabschaltungs-Energiespeicher und zieht das erste Roboterarmelement 17 bei einer Notabschaltung in proximaler Richtung. Gleichzeitig dient das Federelement 42 auch als Anschlagdämpfer, der die Abwärtsbewegung des zweiten Roboterarmelementes 18 zu Beginn der Abwärtsbewegung stark abfedert und damit ein hartes Anschlagen des zweiten Roboterarmelementes 18 in der Ruhestellung vermeidet.
Das Basisbauteil 12, 12', 12'' kann ein Kraftfahrzeug sein, an dem durch den Industrieroboter als Anbauteil ein Rad auf die entsprechende Radaufhängung bzw. -nabe in einer entsprechenden Radausnehmung der Kraftfahrzeugkarosserie montiert werden soll.
Grundsätzlich kann auch der als Greifvorrichtung ausgebildete Endeffektor mit einem Notabschaltungs-Energiespeicher ausgerüstet bzw. mit Notabschaltungs-Speicherenergie versehen sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Greifeinrichtung bei einer Notabschaltung öffnet und das ergriffene Anbauteil loslässt. Das ergriffene Anbauteil kann ein am Basisbauteil bereits befestigtes Teil sein, beispielsweise ein Fahrzeugrad oder ein Befestigungsbolzen, kann jedoch auch ein noch nicht am Basisbauteil befestigtes Teil sein. Bei einer Notabschaltung fällt das noch nicht befestigte Anbauteil bei öffnender Greifvorrichtung dann herab, so beispielsweise ein Befestigungsbolzen oder das Rad.
Sofern die mit dem Industrieroboter verbundenen Anbauteile schon am Basisbauteil 12 befestigt oder teilweise befestigt sind, oder aber nicht bekannt ist, ob eine Trennung des Anbauteils von dem Basisbauteil ohne besondere Maßnahmen, wie das Lösen von Schrauben, noch möglich ist, ist zu bevorzugen, den Industrieroboter und die Anbauteile bzw. das Basisbauteil voneinander zu trennen, insbesondere durch Öffnen der Greifvorrichtung. Dabei wird zum Schutz des Basisbauteiles 12 und des Industrieroboters 10 das Risiko der Beschädigung des Anbauteiles durch sein Herunterfallen in Kauf genommen. Dieses Risiko kann durch entsprechende Auffangvorrichtungen, die nicht im Bewegungsbereich der Fördereinrichtung 14 liegen, minimiert werden.
Bei hydraulischen oder pneumatischen Greifvorrichtungen erfolgt das Loslassen durch Öffnen eines Ventils, wobei der das Anbauteil haltende Druck schnell abfällt. Bei elektrischen Antrieben in der Greifeinrichtung wird als Energiespeicher wiederum ein Federelement verwendet, das eine Vorspannung erzeugt, gegen die der Antrieb beim Schließer der Greifvorrichtung arbeitet. Beim Abschalten des Antriebes bei einer Notabschaltung öffnet sich die Greifvorrichtung dann durch die Federspannung der Federvorrichtung.
Grundsätzlich kann als Notabschaltungs-Energiespeicher auch ein Treibsatz dienen, der bei einer Notabschaltung gezündet wird und hierdurch die Kraft generiert, die zur proximalen Bewegung des betreffenden Roboterarms aus der Arbeitsstellung in die Ruhestellung erforderlich ist.
Fälle mit mehreren Industrierobotern und/oder mehreren Fördervorrichtungen liegen im Prinzip ähnlich wie der beschriebene Grundfall mit einem einzigen Industrieroboter und einer einzigen Fördervorrichtung. Bei mehreren Fördervorrichtungen mit überlappenden Bewegungsbereichen kann der Industrieroboter Kollisionen durch ihr unkoordiniertes Abbremsen nicht verhindern. Bei mehreren Fördervorrichtungen ohne überlappende Bewegungsbereiche müssen unter Umständen auch solche Industrieroboter auf eine Notabschaltung einer Fördervorrichtung reagieren, die mit einer Fördervorrichtung nicht zusammen arbeiten, wohl aber mit einem anderen Industrieroboter.
In Arbeitszellen mit mehreren Industrierobotern verhalten sich Industrieroboter ohne einen Notabschaltungs-Energiespeicher bzw. ohne Notabschaltungs-Speicherenergie wie Fördereinrichtungen. Solche Industrieroboter dürfen nicht in den Bewegungsbereich der übrigen Industrieroboter eindringen. Bei Industrierobotern mit Notabschaltungs-Energiespeicher muss bei der Steuerung der übrigen Industrieroboter berücksichtigt werden, dass sich der in der Notabschaltungs-Prozedur befindliche Industrieroboter auf Grund der Notabschaltungs-Prozedur außerplanmäßig bewegt, ähnlich wie eine Fördervorrichtung die abgebremst wird.
Bei einem oder mehreren Industrierobotern, die auf einer Zusatzachse parallel zur der Fördervorrichtung bewegt werden, kann auf die Notabschaltungs-Prozedur verzichtet werden, sofern sichergestellt ist, dass die Zusatzachse und der Industrieroboter nicht gleichzeitig ausfallen. Für den Fall, dass die Zusatzachse ausfällt, ist das oben beschriebene Verfahren bei Notabschaltung der Fördervorrichtung anzuwenden, wobei anstelle der Fördergeschwindigkeit die Differenzgeschwindigkeit zwischen der Fördervorrichtung und der Zusatzachse zur Prognose der zukünftigen Bewegung des Industrieroboters verwendet wird. Im Gegensatz zur angehaltenen Fördervorrichtung muss der Industrieroboter dabei zusätzlich zur Bewegung des Industrieroboters parallel zur Fördervorrichtung auch aus dem Bewegungsbereich der Fördervorrichtung zurückgezogen werden. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Fall mit einer Notabschaltung des Industrieroboters ist dies aber ohne die Notabschaltungs-Prozedur möglich, nämlich mit Hilfe der Aktuatoren des Industrieroboters.
Für den Fall, dass die Industrieroboter-Zusatzachse nicht ausfällt, jedoch eine andere Störung vorliegt, kann die Basisbauteil-Fördervorrichtung angehalten werden, wobei die Industrieroboter-Zusatzachse so bis zum Stillstand der Basisbauteil-Fördervorrichtung sicherstellen muss, dass der Industrieroboter sich synchron zu dem Basisbauteil bewegt.
Bei mehreren Industrierobotern in einer Arbeitszelle löst die Notabschaltung eines Industrieroboters auch die Notabschaltung des anderen Industrieroboters zwangsweise aus. Bei der Auslegung der Notabschaltungs-Prozedur ist darauf zu achten, dass die Notabschaltungs-Bewegungen der beiden Industrieroboter nicht zu Kollisionen der beiden Industrieroboter miteinander führen.
Der beschriebene Industrieroboter ist außer in Arbeitszellen mit mehreren Industrierobotern und/oder mit einer Fördervorrichtung auch dann sinnvoll einsetzbar, wenn ein an sich stationäres Basisbauteil Eigenbewegungen ausführt, z. B. Schwingungen, oder wenn das von dem Industrieroboter getragene Anbauteil beim Abschalten der Aktuatoren des Industrieroboters sich noch weiter bewegt, beispielsweise auf Grund von Nachgiebigkeiten am Industrieroboter oder an dem Anbauteil selbst.
In der 5 ist das Manipulatorelement, das aus einer Arbeitsstellung in eine Ruhestellung durch nicht-elektrische Notabschaltungs-Speicherenergie bewegt werden kann, ein Endeffektor bzw. eine Endeffektor-Anordnung in Form eines Fahrzeugrad-Greifers 80, der im Wesentlichen aus einem linearen Greiferantrieb 82, Greiferarmen 84, 86 und pneumatischen Fingermodulen 90 besteht. Jedes Fingermodul 90 weist einen von einem Kolben 92 in einem pneumatischen Zylinder 94 bewegten Greiferfinger 96 auf, der durch ein einen Notabschaltungs-Energiespeicher bildendes Federelement 98 in Richtung Ruheposition vorgespannt ist. Der Greiferfinger 96 ist eine Verlängerung der Kolbenstange. Im Falle einer Notabschaltung werden die Zylinder-Räume über entsprechende Ventile geöffnet, so dass das Fluid entweichen kann und die Federelemente 98 die Greiferfinger 96 in eine zurückgezogene Ruheposition bewegen.
Sind die Querkräfte beim Ergreifen eines Fahrzeugrades 81 zu hoch für die Kolben-Führung, kann ein Greiferfinger-Modul 100 alternativ ausgebildet werden, wie in der 6 dargestellt. Der Greiferfinger 102 weist eine eigene komplette axiale Fingerlagerung 104 auf. Das rückwärtige Ende des Greiferfingers 102 ist über einen radialen Arm 106 mechanisch und unter radialem Spiel mit der Kolbenstange 108 gekoppelt. Hierdurch werden radiale Kräfte, die auf den Greiferfinger 102 einwirken, nicht auf die Kolbenstange 108 übertragen.
In den 7 und 8 ist eine Endeffektor-Anordnung 110 dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Endeffektor-Basis 112, einer Schlitten-Anordnung 114, einem basisseitigen Fahrzeugrad-Schrauber 116 und einem basisseitigen Fahrzeugrad-Greifer 118 besteht. Der Schrauber 116 und der Greifer 118 sind fest an jeweils einer Basisplatte 120, 121 befestigt, die wiederum fest miteinander verbunden sind.
Die obenliegende Basisplatte 120 ist über einen Schlitten 122 axial beweglich an einem Manipulatorarm des Industrieroboters befestigt. Der axial geführte und manipulatorarmseitige Schlitten 122 wird durch eine pneumatische Zylinder-Kolbenanordnung 126 in der Arbeitsposition gehalten. Der Schlitten 122 läuft auf Führungsschienen 123, die ihrerseits endseitig an einer Basisplatte 120 befestigt sind. Der Kolben-Zylinderanordnung 126 ist ein einen Notabschaltungs-Energiespeicher bildendes Federelement 128 zugeordnet, durch das die Endeffektor-Basis 112 in eine Ruheposition bewegt wird, wenn die Kolben-Zylinderanordnung 126 geöffnet wird, so dass der Kolben in dem Zylinder in die Ruheposition bewegt werden kann.
Durch Vorsehen einer Notabschaltungs-Mechanik können mehrere verschiedene Endeffektoren, also beispielsweise vorliegend ein Greifer 118 und ein Schrauber 116, gleichzeitig in der selben Richtung aus einer Arbeitsposition in eine Ruheposition zurückgezogen werden, wenn eine Notabschaltung vorliegt.
Die Endeffektor-Anordnung 110 erhält durch die Schlittenanordnung eine zusätzliche Verfahrachse. Der Weg zwischen der Arbeitsposition und der Ruheposition wird durch den Zylinderhub begrenzt.
Im Fall einer komplexen Roboter-Kinematik kann es sinnvoll oder erforderlich sein, die Endeffektor-Basis durch zwei Schlitten, die senkrecht zueinander angeordnet sind, aus der Arbeitsposition in eine Ruheposition zu bringen. Auf diese Weise wäre es möglich, dass die Endeffektor-Basis 112 zunächst zur Seite und anschließend oder gleichzeitig nach hinten gezogen wird. Hierdurch könnten die Endeffektoren, also vorliegend der Greifer 118 und/oder der Schrauber 116 auch aus einer Verschneidung kollisionsfrei in eine Ruheposition gezogen werden. Gleichzeitig mit dem Zurückziehen der Greiferfinger 96 in die Ruheposition kann der Greiferantrieb 82 die Greiferarme 86 öffnen.

Claims

Industrieroboter (10) mit mindestens einem Manipulatorelement (17), dadurch gekennzeichnet, dass dem Manipulatorelement (17) in seiner Arbeitsstellung nicht-elektrische Notabschaltungs-Speicherenergie zugeordnet ist, die bei einer Notabschaltung frei gegeben wird und das ungebremste oder bremsenlose Manipulatorelement (17, 18, 19) zwangsweise aus einer Arbeitsstellung in eine proximale Ruhestellung bewegt.
Industrieroboter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notabschaltungs-Speicherenergie in einem Energiespeicher gespeichert ist.
Industrieroboter (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (40) ein Federelement (42) ist.
Industrieroboter (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notabschaltungs-Speicherenergie aus der Lageenergie des Manipulatorelementes (18) in seiner Arbeitsstellung besteht.
Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Manipulatorelement (17, 18) ein Roboterarmelement mit mindestens einem Freiheitsgrad ist.
Industrieroboter (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Manipulatorelement (17, 18) ein Roboterarmelement eines mehrachsigen Knickarms (20) ist.
Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Manipulatorelement (19) ein Endeffektor ist.
Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsenabschaltungs-Vorrichtung vorgesehen ist, die eine Bremsvorrichtung des Manipulatorelements (17) bei einer Notabschaltung zwangsweise in einen nichtbremsenden Zustand schaltet.
Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Notabschaltungs-Energiespeicher (40) zugeordnete Manipulatorelement (17) bremsvorrichtungsfrei ist.
Industrieroboter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Notabschaltungs-Energiespeicher (40) jeweils einem einzigen Aktuator oder Gelenk zugeordnet ist.
Industrieroboter (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Notabschaltungs-Energiespeicher eine annähernd kartesische Bewegung des Manipulatorelementes (17, 18, 19) in die Ruhstellung bewirkt.
Industrieroboter (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlagdämpfer (58) vorgesehen ist, der die Manipulatorelement-Bewegung in die Ruhestellung abbremst.
Industrieroboter (50) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagdämpfer (58) erst kurz vor Erreichen der Ruhestellung eingreift.
Industrieroboter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Manipulatorelement ein Greifer (80) mit mehreren Greiferfingern (96) ist.
Industrieroboter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedem axialen Greiferfinger (96) ein Axial-Federelement (98) als Energiespeicher zugeordnet ist.
Industrieroboter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Manipulatorelement eine Endeffektor-Basis (112) aufweist, die an einem an einem Manipulatorarm befestigten Schlitten (122) angeordnet ist, dem ein Axial-Federelement (128) als Energiespeicher zugeordnet ist.
Industrieroboter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Endeffektor-Basis (112) einen Fahrzeugrad-Greifer (118) und/oder einen Fahrzeugrad-Schrauber (116) trägt.
Industrieroboter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Greiferkraft nach Lösen einer Verriegelung die Ausweichbewegung der Greiferfinger bewirkt.
Industrieroboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil geöffnet oder eine Fiuidverbindung umgeschaltet wird, um ein Element in eine Ruheposition zu bringen.
Industrieroberoter nach Anspruch 1 mit mehreren Manipulatorelementen, die gleichzeitig aus der Arbeitsposition in die Ruhestellung bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Gesamtbewegung kollisionsfrei zur Umgebung erfolgt.