DE102007053538A1

DE102007053538A1 - Roboter

Info

Publication number: DE102007053538A1
Application number: DE102007053538A
Authority: DE
Inventors: Tobias Dr. Ortmaier; Dirk Dr. Jacob; Thomas Dr. Neff
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-11-10
Also published as: DE102007053538B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboter, der einen Manipulator (M) mit einer tragenden Struktur (T), wenigstens eine an der tragenden Struktur (T) angeordnete Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) und ein Peltierelement (P, P') mit einer ersten flächenhaften Seite (19) und einer der ersten flächenhaften Seite (19) gegenüberliegenden zweiten flächenhaften Seite (20) aufweist. Die zweite flächenhafte Seite (20) des Peltierelements (P, P') ist bei einem durch das Peltierelement (P, P') fließenden elektrischen Strom (i) kälter als die erste flächenhafte Seite (19) und wärmeleitend mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter.
Roboter sind Handhabungsmaschinen, die zur selbsttätigen Handhabung von Objekten mit zweckdienlichen Werkzeugen ausgerüstet und in mehreren Bewegungsachsen insbesondere hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. Roboter umfassen in der Regel Elektronik- und/oder Elektrikbaugruppen, die sich im Betrieb des Roboters erwärmen.
Die WO 99/15319 offenbart einen Roboter mit einer Steuervorrichtung, die in einem isolierenden Fach angeordnet ist. Um die Steuervorrichtung zu kühlen, wird unter Druck stehende Luft über ein Rohr der Steuervorrichtung zugeführt. Diese Luft kann durch eine Öffnung aus dem Fach entweichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Roboter derart auszuführen, dass eine Elektrik- und/oder Elektronikgruppe des Roboters einfacher gekühlt wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Roboter, aufweisend

– einen Manipulator mit einer tragenden Struktur,
– wenigstens eine an der tragenden Struktur angeordnete Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe und
– ein Peltierelement mit einer ersten flächenhaften Seite und einer der ersten flächenhaften Seite gegenüberliegenden zweiten flächenhaften Seite, die bei einem durch das Peltierelement fließenden elektrischen Strom kälter als die erste flächenhafte Seite und wärmeleitend mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe verbunden ist.

Im Allgemeinen umfassen Roboter den Manipulator, eine Steuervorrichtung und gegebenenfalls einen Effektor, der z. B. als ein Greifer zum Greifen eines Werkzeugs ausgebildet ist. Der Manipulator stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Roboters dar. Der Manipulator weist insbesondere mehrere Achsen auf, die z. B. mittels elektrischer Antriebe von der z. B. als Rechner ausgeführten Steuervorrichtung angesteuert werden.
Roboter umfassen im Allgemeinen Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppen, die z. B. eine Leistungselektronik für einen der obenstehend erwähnten elektrischen Antriebe oder eine Kommunikationselektronik des Roboters sind oder z. B. Sensoren umfassen, die der Roboter gegebenenfalls aufweist. Die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppen können insbesondere auch integrierte Schaltkreise, beispielsweise Prozessoren oder FPGAs (Field Programmable Gate Array), aufweisen. Im Betrieb des Roboters erwärmen sich die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppen.
Beim erfindungsgemäßen Roboter ist wenigstens eine Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe an der tragenden Struktur des Manipulators angeordnet.
Der erfindungsgemäße Roboter umfasst ferner das Peltierelement, das wiederum die beiden gegenüberliegenden flächenhaften Seiten aufweist. Peltierelemente sind elektronische Bauelemente basierend auf dem sogenannten Peltier-Effekt. Fließt ein elektrischer Strom durch das Peltierelement, dann entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden flächenhaften Seiten.
Peltierelemente weisen z. B. zwei oder mehrere relativ kleine Quader auf, die je aus p- und n-dotiertem Halbmaterial bestehen, die abwechselnd durch Metallbrücken miteinander verbunden sind. Geeignete Halbleitermaterialien sind beispielsweise Wismut-Tellurid, Silizium oder Germanium. Die Metallbrücken bilden zugleich thermische Kontaktflächen der Peltuerelemente und sind beispielsweise durch aufliegende Folien oder Keramikplatten isoliert. Abhängig von der Stärke des elektrischen Stroms und dessen Richtung kühlt die eine flächenhafte Seite des Peltierelements ab, während sich die andere flächenhafte Seite erwärmt.
Um die an der tragende Struktur des Manipulators angeordnete Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe zu kühlen, ist das Peltierelement des erfindungsgemäßen Roboters mit seiner kälteren flächenhaften Seite, also mit seiner zweiten flächenhaften Seite mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe verbunden.
Um eine Kühlung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe zu erhöhen, kann die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit einem Kühlkörper verbunden sein.
Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Roboters ist die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit der tragenden Struktur verbunden. Dadurch wird in relativ einfacher Weise eine verbesserte Kühlung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe ohne weitere Bauteile ermöglicht. Die tragende Struktur des Manipulators können für einen relativ guten Wärmeübergang aus einem relativ gut wärmeleitfähigen Material, wie z. B. Metall, insbesondere Aluminium, oder einer Keramik gefertigt sein. Um eine ungewollte Ausdehnung der tragenden Struktur des Manipulators zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, kann die tragende Struktur des Manipulators aus einem Material mit einem relativ geringen Längenausdehnungskoeffizienten gefertigt sein.
Wenn nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters, die tragende Struktur seines Manipulators zumindest in dem Bereich, in dem die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit der tragenden Struktur verbunden ist, eine ihre Oberfläche vergrößernde Struktur aufweist, dann sind Vorraussetzungen für eine verbesserte Kühlung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppen gegeben.
Der erfindungsgemäße Roboter kann zusätzlich einen ersten Kühlkörper aufweisen, der mit der tragenden Struktur des Manipulators zumindest in dem Bereich wärmeleitend verbunden ist, in dem die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit der tragenden Struktur verbunden ist. Dies kann ebenfalls für eine verbesserte Wärmeabfuhr von der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe sorgen.
Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Roboters weist dessen Manipulator ein die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe und die tragende Struktur zumindest teilweise umhüllendes Gehäuse auf. Das Gehäuse ist z. B. vorgesehen, die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe zu schützen und kann insbesondere aus einem relativ gut wärmeleitenden Material gefertigt sein. Diese Variante des erfindungsgemäßen Roboters eignet sich z. B. relativ gut für medizintechnische Anwendungen.
Um eine verbesserte Kühlung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe zu erreichen, ist gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Roboters die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements, mit dem Gehäuse des Manipulators verbunden. Gemäß dieser Variante kann eine verbesserte Küh lung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe ohne weitere Bauteile erreicht werden.
Das Gehäuse des Manipulators kann für eine verbesserte Wärmeabfuhr zumindest in dem Bereich, in dem die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit den Gehäuse verbunden ist, eine ihre Oberfläche vergrößernde Struktur aufweisen. Der erfindungsgemäße Roboter kann auch zusätzlich einen zweiten Kühlkörper aufweisen, der mit dem Gehäuse zumindest in dem Bereich wärmeleitend verbunden ist, in dem die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements wärmeleitend mit dem Gehäuse verbunden ist.
Für eine verbesserte Kühlung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe weist nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboters das Gehäuse des Manipulators wenigstens eine Öffnung auf, die einen Luftaustausch der Luft im Bereich des Peltierelements ermöglicht. Die Öffnung des Gehäuses ermöglicht somit, dass die durch die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe erwärmte Luft in einen Bereich abgeführt wird, der nicht von dem Gehäuse des Manipulators umhüllt wird.
Der erfindungsgemäße Roboter kann auch einen Lüfter zum Kühlen des Peltierelements, insbesondere dessen erster flächenhaften Seite aufweisen. Auch kann das Peltierelement des erfindungsgemäßen Roboters mit einem Kühlschlauch gekoppelt sein, der insbesondere die wärmere, erste flächenhafte Seite des Peltierelements mit einem Kühlmedium beaufschlagt. Das Kühlmedium ist z. B. unter Druck stehende Luft. Eine Abfuhr der Wärme auf der wärmeren, ersten flächenhaften Seite des Peltierelementes kann durch einen geschlossnen Kühlkreislauf, z. B. Kühlwasser, erfolgen.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboter weist dieser eine Regelung auf, die eingerichtet ist, die Temperatur des Peltierelements derart zu regeln, dass die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe eine zumindest annähernd konstante Temperatur aufweist. Dadurch kann die Regelung der Leistungsaufnahme des Peltierelements in Abhängigkeit von der Temperatur der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe erfolgen. Eine für die Regelung nötige Temperaturerfassung der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe kann z. B. über Temperaturfühler oder einem Temperaturwiderstand erfolgen.
Nach einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Roboters umfasst das Peltierelement mehrere nacheinanderfolgende einzelne Peltierelemente.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 einen Roboter mit einem auf einem Sockel befestigten Manipulator,
2, 3 den Manipulator des Roboters der 1,
4 einen Ausschnitt des Manipulators,
5 ein Peltierelement,
6–8 Ausschnitte alternativer Manipulatoren und
9 ein weiteres Peltierelement.
Die 1 zeigt einen Roboter mit einem Manipulator M, der im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles auf einem Sockel S befestigt ist. Der Manipulator M stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Roboters dar und umfasst mehrere Achsen 1–6, mehrere Hebel 7–10 und einen Flansch F, an dem z. B. ein Werkzeug befestigt werden kann.
Die Achsen 1–6 und die Hebel 7–10 sind im Wesentlichen die tragende Struktur T des Manipulators M, die in der 2 mittels durchgezogener und in der 3 mittels unterbrochener Linien dargestellt ist.
Jede der Achsen 1–6 wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles mit einem elektrischen Antrieb bewegt, die in nicht dargestellter Weise mit einem Steuerrechner 17 des Roboters elektrisch verbunden sind, so dass der Steuerrechner 17 bzw. ein auf dem Steuerrechner 17 laufendes Rechnerprogramm die elektrischen Antriebe derart ansteuern kann, dass die Position und Orientierung des Flansches F des Roboters im Wesentlichen frei im Raum ausgerichtet werden kann. Die elektrischen Antriebe des Roboters umfassen jeweils einen elektrischen Motor 11–16 und gegebenenfalls eine die Motoren 11–16 ansteuernde Leistungselektronik.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles ist an der tragenden Struktur T des Manipulators M im Bereich des Hebels 9 eine Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E befestigt. Dieser Teil der tragenden Struktur T des Manipulators M ist in der 4 näher dargestellt.
Die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E ist beispielsweise eine Leistungselektronik eines der elektrischen Antriebe des Roboters oder eine Kommunikationselektronik. Die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe kann u. A. einen integrierten Schaltkreis, beispielsweise einen Mikroprozessor, aufweisen und ist in nicht dargestellter Weise mit dem Steu errechner 17 verbunden. Im Betrieb des Roboters erwärmt sich die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles umfasst der Manipulator M ein in der 2 mittels unterbrochener und in der 3 mittels durchgezogener Linien dargestelltes Gehäuse G, das die tragende Struktur T und die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E umhüllt. Die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E ist mittels in der 4 gezeigten Befestigungsmittel 21, 22, z. B. Schrauben, an der tragenden Struktur T befestigt.
Der Roboter umfasst ferner ein in der 5 näher dargestelltes Peltierelement P mit einer ersten flächenhaften Seite 19 und einer der ersten flächenhaften Seite 19 gegenüberliegenden zweiten flächenhaften Seite 20. Das Peltierelement P kann mittels einer elektrischen Leitung an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, so dass durch das Peltierelement P ein elektrischer Strom i fließt. Das Peltierelement P ist mit seiner zweiten flächenhaften Seite 20 wärmeleitend mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E verbunden, wie dies in der 4 dargestellt ist. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles ist die erste flächenhafte Seite 19 des Peltierelementes P wärmeleitend mit der tragenden Struktur T des Manipulators M verbunden, indem beispielsweise die erste flächenhafte Seite 19 des Peltierelementes P die tragende Struktur T des Manipulators M direkt berührt. Die Spannungsquelle für das Peltierelement P ist derart eingerichtet, dass die Richtung des durch das Peltierelement P fließenden Stroms i derart gewählt ist, dass die mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E wärmeleitend verbundene zweite flächenhafte Seite 20 des Peltierelementes P kälter als die mit der tragenden Struktur T des Manipulators M wärmeleitend verbundene erste flächenhafte Seite 19 des Peltierelementes P ist.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles weist die tragende Struktur T des Manipulators M im Bereich der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E eine die Oberfläche der tragenden Struktur T vergrößernde Struktur S1 auf. Zusätzlich oder alternativ kann im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles ein Kühlkörper K1 wärmeleitend mit der tragenden Struktur T des Manipulators M verbunden sein.
Das Peltierelement P kann auch mit seiner wärmeren, ersten flächenhaften Seite 19 mit dem Gehäuse G des Manipulators M wärmeleitend verbunden sein, wie dies in der 6 gezeigt wird. Im Falle des in der 6 gezeigten Ausführungsbeispieles ist die wärmere, erste flächenhafte Seite 19 des Peltierelementes P nicht direkt mit dem Gehäuse G des Manipulators M wärmeleitend verbunden, sondern über ein wärmeleitendes Zwischenteil 24.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles weist das Gehäuse G eine ihre Oberfläche vergrößernde Struktur S2 und/oder einen mit dem Gehäuse G wärmeleitend verbundenen Kühlkörper K2 auf.
Das Gehäuse G des Manipulators M kann auch eine in der 7 gezeigte Öffnung 23 aufweisen, die einen Austausch der Luft im Bereich des Peltierelementes P mit dem Bereich außerhalb des Gehäuses G erlaubt.
Der Roboter kann auch einen in der 7 dargestellten Kühlschlauch 25 aufweisen, der durch das Gehäuse G des Manipulators M durchgeführt ist, oder innerhalb des Gehäuses G verläuft, wie dies in der 8 dargestellt ist. Der Kühlschlauch 25 ist vorgesehen, ein Kühlmedium an das Peltierelement P und insbesondere an dessen wärmere, erste flächen hafte Seite 19 zu leiten. Ein geeignetes Kühlmedium ist z. B. unter Druck stehende Luft.
Der Roboter kann auch einen Lüfter 26 zum Kühlen des Peltierelements P aufweisen, der z. B. an der tragenden Struktur T befestigt ist.
Der Roboter kann auch derart ausgeführt sein, dass die Temperatur des Peltierelements P derart geregelt wird, dass die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E eine zumindest annähernd konstante Temperatur aufweist. Damit dies möglich ist, umfasst der Roboter im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels einen Temperatursensor 27, der die Temperatur der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe E misst und in nicht dargestellter Weise mit einem nicht näher dargestellten Regler zum Regeln der Temperatur des Peltierelemetns P verbunden ist.
Die 9 zeigt ein weiteres Peltierelement P', das im Wesentlichen eine Kaskade mehrerer nacheinander folgender einzelner Peltierelemente P umfasst, die derart hintereinander geschalten sind, dass jeweils eine kältere flächenhafte Seite einer wärmeren flächenhaften Seite folgt. Das Peltierelement P' kann anstelle des Peltierelements P für den Roboter verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 99/15319 [0003]

Claims

Roboter, aufweisend – einen Manipulator (M) mit einer tragenden Struktur (T), – wenigstens eine an der tragenden Struktur (T) angeordnete Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) und – ein Peltierelement (P, P') mit einer ersten flächenhaften Seite (19) und einer der ersten flächenhaften Seite (19) gegenüberliegenden zweiten flächenhaften Seite (20), die bei einem durch das Peltierelement (P, P') fließenden elektrischen Strom (i) kälter als die erste flächenhafte Seite (19) und wärmeleitend mit der Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 1, bei dem die erste flächenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit der tragenden Struktur (T) verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 2, bei dem die tragende Struktur (T) des Manipulators (M) zumindest in dem Bereich, in dem die erste flächenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit der tragenden Struktur (T) verbunden ist, eine ihre Oberfläche vergrößernde Struktur (S1) aufweist.
Roboter nach Anspruch 2 oder 3, zusätzlich aufweisend einen ersten Kühlkörper (K1), der mit der tragenden Struktur (T) des Manipulators (M) zumindest in dem Bereich wärmeleitend verbunden ist, in dem die erste flä chenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit der tragenden Struktur (T) verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 1 oder 2, dessen Manipulator (M) die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) und ein die tragende Struktur (T) zumindest teilweise umhüllendes Gehäuse (G) aufweist.
Roboter nach Anspruch 5, bei dem die erste flächenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit dem Gehäuse (G) des Manipulators (M) verbunden ist.
Roboter nach Anspruch 6, bei dem das Gehäuse (G) des Manipulators (M) zumindest in dem Bereich, in dem die erste flächenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit dem Gehäuse (G) verbunden ist, eine ihre Oberfläche vergrößernde Struktur (S2) aufweist.
Roboter nach Anspruch 6 oder 7, zusätzlich aufweisend einen zweiten Kühlkörper (K2), der mit dem Gehäuse (G) des Manipulators (M) zumindest in dem Bereich wärmeleitend verbunden ist, in dem die erste flächenhafte Seite (19) des Peltierelements (P, P') wärmeleitend mit dem Gehäuse (G) verbunden ist.
Roboter nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem das Gehäuse (G) des Manipulators (M) wenigstens eine Öffnung (23) aufweist, die einen Luftaustausch der Luft im Bereich des Peltierelements (P, P') ermöglicht.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aufweisend einen Lüfter (26) zum Kühlen des Peltierelements (P, P').
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zusätzlich aufweisend einen mit dem Peltierelement (P, P') gekop pelten Kühlschlauch (24) zum Beaufschlagen des Peltierelements (P, P') mit einem Kühlmedium.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend eine Regelung, die eingerichtet ist, die Temperatur des Peltierelements (P, P') derart zu regeln, dass die Elektrik- und/oder Elektronikbaugruppe (E) eine zumindest annähernd konstante Temperatur aufweist.
Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Peltierelement (P') mehrere nacheinanderfolgende einzelne Peltierelemente (P) umfasst.