DE102007062245A1

DE102007062245A1 - Kollisionsdetektionsvorrichtung sowie Handhabungsgerät

Info

Publication number: DE102007062245A1
Application number: DE200710062245
Authority: DE
Inventors: Stephan Luetzerath; Peter Schlaich; Juergen Goetz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kollisionsdetektionsvorrichtung (5) für ein Handhabungsgerät (1). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein, zumindest abschnittsweise, flexibler, mit einem Medium gefüllter und/oder befüllbarer Mediumspeicher (6a-6g) vorgesehen ist, dem mindestens ein Drucksensor (7a-7h) zugeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Handhabungsgerät (1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kollisionsdetektionsvorrichtung für ein Handhabungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Handhabungsgerät gemäß Anspruch 10.
In automatisierten Produktionsprozessen kommen häufig Handhabungsgeräte, beispielsweise für Bewegungsaufgaben von Werkstücken und/oder Werkzeugen, zum Einsatz. Aufgrund gesetzlicher Sicherheitsbestimmungen müssen diese Produktionsprozesse so abgesichert sein, dass keine Gefahr besteht, dass eine Person verletzt wird.
Eine übliche Absicherung ist es, eine Schutzumhausung, insbesondere aus einem transparenten Material, um den Arbeitsraum des Handhabungsgerätes anzubringen, so dass keine Person in den gefährdeten Bereich gelangen kann.
Eine andere Möglichkeit ist es, den Arbeitsraum durch Lichtschranken abzusichern. Vorteilhaft gegenüber der zuvor beschriebenen Lösung ist es dabei, dass eine Person bei Stillstand des Handhabungsgerätes schneller in den Arbeitsraum gelangen kann, beispielsweise um ein neues Werkstück in das Handhabungsgerät einzulegen.
Nachteilig bei den beiden vorgenannten Absicherungsmöglichkeiten ist es, dass eine unmittelbare Interaktion zwischen Person und Handhabungsgerät nicht möglich ist.
In neuster Zeit werden Ansätze entwickelt, bei denen ein Handhabungsgerät und eine Person in überlappenden Arbeitsräumen gemeinsam arbeiten. Hierzu werden in der Robotersteuerung für diese überlappenden Arbeitsbereiche reduzierte Geschwindigkeiten programmiert und durch zweikanalige, redundante Steuerungssysteme sicher eingehalten. Der Mensch. hat aufgrund von Schutzeinrichtungen ausschließlich Zugang zu diesem Arbeitsbereich. Außerhalb des gemeinsamen Arbeitsbereichs bewegt sich das Handhabungsgerät mit maximaler Geschwindigkeit.
Mittlerweile werden Kollisionsdetektionsvorrichtungen entwickelt, bei denen der Motorstrom des Handhabungsgerätes überwacht wird, wobei ein plötzliches Ansteigen des Motorstroms eine Kollision signalisiert. Diese Kollisionsdetektionsvorrichtung hat den Nachteil, dass eine Kollision erst erkannt wird, nachdem bereits eine Gefährdung der Person eingetreten ist. Der Grund dafür besteht darin, dass es aufgrund der bewegten Masse des Handhabungsgerätes nicht möglich ist, das Handhabungsgerät sofort nach der Detektion einer Kollision anzuhalten.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kollisionsdetektionsvorrichtung für ein Handhabungsgerät vorzuschlagen, die derart ausgebildet ist, dass nach dem Erkennen einer Kollision ausreichend Zeit besteht, das Handhabungsgerät anzuhalten oder entsprechend anzusteuern, um damit die Verletzung einer Person oder die Beschädigung eines Objekts zu vermeiden. Ferner besteht die Aufgabe darin ein entsprechend optimiertes Handhabungsgerät vorzuschlagen.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Kollisionsdetektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Handhabungsgerätes mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, mindestens einen Kollisionssensor vorzusehen, der einen mit einem, insbesondere unter Druck stehenden, Medium gefüllten oder mit einem, Medium befüllbaren, mediumdichten, Mediumspeicher sowie mindestens einen Drucksensor umfasst. Die Erfindung hat erkannt, dass der Druck des Mediums innerhalb des Mediumspeichers bei einer Kollision des Mediumsspeichers mit einem Objekt oder einer Person (schlagartig) ansteigt. Diese Druckerhöhung kann mit Hilfe des mindestens einen Drucksensors detektiert werden und signalisiert eine Kollision der Kollisionsdetektionsvorrichtung mit einem Objekt oder einer Person und damit eine bevorstehende, unmittelbare Kollision des Handhabungsgerätes mit dem Objekt bzw. der Person. Dadurch, dass der Mediumspeicher zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, flexibel und dadurch eindrückbar ist, ist eine ausreichend große Leitspanne zwischen der Detektion einer Kollision eines Objektes oder einer Person mit der Kollisionsdetektionsvorrichtung und einer drohenden, unmittelbaren Kollision zwischen dem Handhabungsgerät und dem Objekt bzw. der Person gegeben, um das Handhabungsgerät durch eine entsprechende Ansteuerung rechtzeitig anzuhalten oder in eine andere Richtung, bevorzugt in eine der momentanen Bewegungsrichtung entgegengesetzten Bewegungsrichtung, zu bewegen. Hierdurch kann eine Beschädigung des Objektes bzw. eine Verletzung der Person sicher vermieden werden. Darüber hinaus stellt der Mediumspeicher aufgrund seiner, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständigen, flexiblen und damit dämpfenden Eigenschaft einen zusätzlichen Schutz des Objektes bzw. der Person dar. Aufgrund des Einsatzes einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kollisionsdetektionsvorrichtung ist es möglich, Handhabungsgeräte, vorzugsweise Roboter, in so genannten Kooperationsarbeitsplätzen einzusetzen, bei denen eine unmittelbare Interaktion zwischen Mensch und Maschine stattfindet, ohne dass eine Gefahr für dort arbeitende Personen besteht. Darüber hinaus ist es möglich, die Handhabungsgeräte auch in solchen Kooperationsarbeitsplätzen mit einem Geschwindigkeitsprofil zu betreiben, wie dies bisher nur innerhalb von Schutzumhausungen realisiert wurde.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der mindestens eine Drucksensor signalleitend mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die bei Überschreiten eines vorgegebenen oder vorgebbaren maximalen (Grenz-)Druckes eine Kollision mit einem Objekt oder einer Person erkennt. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung derart ausgebildet sein, dass sie eine Kollision dann erkennt, wenn die Druckänderungsgeschwindigkeit einen vorgegebenen oder vorgebbaren maximalen Wert überschreitet. Es liegt im Rahmen der Weiterbildung, dass die Steuereinrichtung als von einer Steuereinrichtung des Handhabungsgerätes separate Steuereinrichtung ausgebildet ist. Ebenso ist es möglich, die Kollisionssteuereinrichtung in die Steuereinrichtung des Handhabungsgerätes zu integrieren.
Von besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Steuereinrichtung bei Erkennen einer Kollision ein Ansteuersignal, insbesondere ein Stoppsignal, vorzugsweise an eine entsprechende Steuereinrichtung des Handhabungsgerätes aussendet, so dass diese beispielsweise das Handhabungsgerät unmittelbar anhält. Alternativ ist es möglich, dass die Steuereinrichtung der Kollisionsdetektionsvorrichtung selbst für eine unmittelbare Reaktion, insbesondere einen Nothalt des Handhabungsgerätes sorgt, beispielsweise indem sie die Stromzufuhr für das Handhabungsgerät unterbricht.
Im Hinblick auf eine konkrete Ausbildung des im Mediumspeicher vorhandenen Mediums gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Medium ein Fluid ist oder ein Fluid umfasst. Bevorzugt handelt es sich bei dem Fluid um ein Gas, vorzugsweise, insbesondere aus sicherheitstechnischen Gründen um Luft. Dabei steht das Medium vor der Kollision bevorzugt unter einem konstanten Vordruck. Versuche mit Luft als Medium in einem schlauchartigen Mediumbehälter haben gute Ergebnisse bei einem Vordruck von etwa 0,4 bar geliefert. Bei einem flächigen Zusammendrücken des Mediumspeichers stieg der Druck um etwa 0,05 bar an. Für die Praxis bedeutet dies, dass ein Druckanstieg um beispielsweise etwa 0,03 bar als Kollision gewertet werden könnte.
Zusätzlich oder alternativ zur Ausbildung des Mediums als Fluid, ist es möglich, dass das Medium mindestens einen, insbesondere elastischen, Feststoff umfasst oder als sol cher ausgebildet ist. Bevorzugt handelt es sich. dabei um eine Vielzahl von Partikeln, vorzugsweise um Polystyrolartikel. Es ist auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Partikel von Fluid, insbesondere von Luft oder auch von einer Flüssigkeit umgeben sind.
Um über die Lebensdauer der Kollisionsdetektionsvorrichtung und/oder des Mediumspeichers einen zumindest näherungsweise konstanten Vordruck innerhalb des Mediumspeichers aufrecht zu erhalten, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Druck im Mediumspeicher mit Hilfe einer Druckregeleinrichtung überwacht und/oder geregelt wird. Fällt der Mediumdruck unter einen vorgegebenen Wert, so wird der Druck bevorzugt wieder auf einen Vorgabewert erhöht. Durch das Vorsehen einer Druckregeleinrichtung wird die Detektionssicherheit wesentlich erhöht, da. die Größe und/oder die Geschwindigkeit einer Druckänderung im Kollisionsfall abhängig vom Vordruck im Mediumspeicher ist. Alternativ zu dem Vorsehen einer Druckregeleinrichtung, kann eine reine Drucküberwachungsfunktion auch von der Steuereinrichtung übernommen werden.
Insbesondere zur Erhöhung der Messgenauigkeit ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der mehrere Mediumspeicher mit jeweils mindestens einem Drucksensor vorgesehen sind. Zusätzlich oder alternativ kann es vorteilhaft sein, mindestens einen Mediumspeicher mit mehreren, vorzugsweise voneinander getrennten, Kammern vorzusehen, wobei bevorzugt jeder Kammer mindestens ein Drucksensor zugeordnet ist.
Eine kostengünstige und zuverlässige Ausbildung der Kollisionsdetektionsvorrichtung ist insbesondere dann möglich, wenn der mindestens eine Mediumspeicher als Schlauch, vor zugsweise als Gummi- und/oder Kunststoffschlauch, beispielsweise analog zu einem Fahrradschlauch, ausgebildet ist. Insbesondere bei einer schlauchförmigen Ausbildung des Mediumspeichers ist es von Vorteil, in Umfangsrichtung des Handhabungsgerätes mehrere nebeneinander angeordnete, sich vorzugsweise in Längsrichtung erstreckende Schläuche mit jeweils mindestens einem Drucksensor vorzusehen.
Insbesondere dann, wenn der Mediumspeicher als eine Art Hülse ausgebildet ist, die sich in Umfangsrichtung um das Handhabungsgerät erstreckt, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der innerhalb des Mediumspeichers ein Stützmaterial (Stützmasse) vorgesehen ist, damit sich das Handhabungsgerät bevorzugt immer mittig innerhalb der Mediumspeicherhülse befindet. Zusätzlich oder alternativ zu einem Stützmaterial kann der Mediumspeicher auch mit einer Stützkontur (Abstützkontur), die beispielsweise aus einer Vielzahl von Stegen besteht, ausgebildet werden.
Die Erfindung führt auch auf ein Handhabungsgerät, insbesondere einen Roboter, vorzugsweise einen Roboterarm zur Handhabung von Werkstücken und/oder Werkzeugen. Das Handhabungsgerät zeichnet sich durch mindestens eine nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Kollisionsdetektionsvorrichtung aus, die mindestens einen mit einem Medium gefüllten Mediumspeicher aufweist, dem mindestens ein Drucksensor zugeordnet ist. Bei einer Kollision des Mediumspeichers mit einem Objekt oder einer Person steigt der Druck im Mediumspeicher an, wobei der Druckanstieg und/oder die Druckanstiegsgeschwindigkeit eine Kollision eines Objekts oder einer Person mit dem Mediumspeicher signalisieren, woraufhin bevorzugt das Handhabungsgerät gestoppt oder in eine andere Bewegungsrichtung angesteuert wird, um eine unmittelbare Kollision zwischen dem Handhabungsgerät und dem Objekt oder der Person zu vermeiden, oder die Auswirkungen einer solchen Kollision zumindest zu minimieren.
Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der Sicherheit ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der, vorzugsweise radial, zwischen dem Handhabungsgerät und dem mindestens einen Mediumspeicher mindestens ein Pufferelement angeordnet ist. Dieses besteht bevorzugt aus einem elastischen Material wie Schaumstoff und vermindert die Auswirkungen einer Kollision.
Im Hinblick auf die Anordnung des mindestens einen Mediumspeichers gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Alternative ist der Mediumspeicher hülsenartig ausgebildet und umhüllt das Handhabungsgerät in Umfangsrichtung in zumindest einem Abschnitt. Zusätzlich oder alternativ können mehrere, insbesondere schlauchförmige Mediumspeicher in Umfangsrichtung des Handhabungsgerätes nebeneinander angeordnet sein und sich, im Falle der Ausbildung des Handhabungsgerätes als Roboterarm, beispielsweise in Längsrichtung des Roboterarms erstrecken. Es ist auch eine ringförmige oder spiralförmige Anordnung von schlauchförmigen Mediumspeichern am Umfang des Handhabungsgerätes denkbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Handhabungsgerätes mit einer Kollisionsdetektionsvorrichtung, bei dem die Mediumspeicher der Kollisionsdetektionsvorrichtung hülsenartig ausgebildet sind und,
2 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Handhabungsgerätes mit einer Kollisionsdetektionsvorrichtung, wobei diese schlauchförmig ausgebildete Mediumspeicher aufweist.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist ein als Roboterarm ausgebildetes Handhabungsgerät 1 gezeigt, das mehrere, gelenkig miteinander verbundene Verstellelemente 2a–2e (Segmente) aufweist, wobei das Handhabungsgerät 1 mit einem endseitigen Verstellelement 2a auf einer Bodenplatte 3 gehalten ist und an dem von dem Verstellelement 2a abgewandten Verstellelement 2e einen Flansch 4 zur Montage von nicht gezeigten Werkstücken aufweist.
Das Handhabungsgerät 1 ist mit einer Kollisionsdetektionsvorrichtung 5 ausgestattet. Diese umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel fünf flexible hülsenförmige Mediumspeicher 6a–6e aus Kunststoff, die jeweils einen Axialabschnitt des Handhabungsgerätes 1 vollumfänglich umgeben. Die Mediumspeicher 6a–6e sind jeweils mit einem in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gasförmigen Medium gefüllt. Ferner ist jeder Mediumspeicher 6a–6e mit einem Drucksensor 7a–7e ausgestattet, mit dem der Druck im jeweiligen Mediumspeicher 6a–6e messbar ist. Jeder Mediumspeicher 6a–6e bildet zusammen mit jeweils einem Drucksensor 7a–7e einen nicht separat mit einem Bezugszeichen versehenen Kollisionssensor.
Die Drucksensoren 7a–7e sind über Funk mit einer Steuereinrichtung 8 verbunden, die als eigenständige Steuereinrichtung (wie gezeigt) ausgebildet oder Bestandteil der Steuereinrichtung des Handhabungsgerätes 1 sein kann. Kollidiert mindestens ein Mediumspeicher 6a–6e während des Betriebs des Handhabungsgerätes 1 mit einem Objekt oder einer Person, wird von dem entsprechenden Drucksensor 7a–7e ein Druckanstieg registriert und beispielsweise über Funk unmittelbar an die Steuereinrichtung 8 gemeldet. Diese erkennt einen schlagartigen Druckanstieg und wertet diesen als Kollision, woraufhin die Steuereinrichtung 8 entweder unmittelbar die Stromzufuhr des Handhabungsgerätes 1 unterbricht oder ein Steuersignal ausgibt, das einen schnellen Stopp oder eine schnelle Gegenbewegung des Handhabungsgerätes 1 zur Folge hat.
Damit sich die Verstellelemente 2a–2e, zumindest näherungsweise, mittig innerhalb der als flexible Schlauchhülsen ausgebildeten Mediumspeicher 6a–6e befinden, sind die Mediumspeicher 6a–6e zusätzlich zu dem gasförmigen Medium mit einem Stützmaterial, hier Schaumstoff, gefüllt.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Handhabungsgerätes 1 gezeigt. Zu erkennen sind die beweglichen Verstellelemente 2a–2e sowie der endseitige Flansch 4 und die endseitige Bodenplatte 3. Anstelle der Ausbildung der Mediumspeicher 6a–6e als flexible Hülsen zum Umhüllen der Verstellelemente 2a–2e sind eine Vielzahl von schlauchförmigen Mediumspeichern 6a–6g vorgesehen. Beispielsweise ist der an dem unteren Verstellelement 2a angeordnete Mediumspeicher 6a spiralförmig aufgewickelt und umfasst in seinem in der Zeichnungsebene oberen Bereich einen Drucksensor 7a. An den weiteren Verstellelementen 2b–2e sind jeweils mehrere in Umfangsrichtung des Handhabungsgerätes 1 nebeneinander angeordnete schlauchförmige Mediumspeicher 6b–6f mit jeweils einem Drucksensor 7a–7f vorgesehen. Wie aus 2 zu erkennen ist, sind dem Mediumspeicher 6d zwei Drucksensoren 7d und 7h zugeordnet. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, sind sämtliche Drucksensoren 7a–7h über eine Funkverbindung signalleitend mit einer Steuereinrichtung 8 verbunden.

Claims

Kollisionsdetektionsvorrichtung für ein Handhabungsgerät, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein, zumindest abschnittsweise, flexibler, mit mindestens einem Medium gefüllter und/oder befüllbarer Mediumspeicher (6a–6g) vorgesehen ist, dem mindestens ein Drucksensor (7a–7h) zugeordnet ist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (7a–7h) signalleitend mit einer Steuereinrichtung (8) verbunden ist, die bei Überschreiten eines vorgegebenen oder vorgebbaren maximalen Druckes und/oder einer vorgegebenen oder vorgebbaren maximalen Druckänderungsgeschwindigkeit eine Kollision erkennend ausgebildet ist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) bei Erkennen einer Kollision ein Ansteuersignal, insbesondere ein Stoppsignal, aussendend und/oder die Stromzufuhr zum Handhabungsgerät (1) unterbrechend ausgebildet ist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Fluid, insbesondere ein Gas, vorzugsweise Luft, umfasst.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mindestens einen, insbesondere elastischen, Feststoff, insbesondere eine Vielzahl von Feststoffpartikeln, vorzugsweise Polystyrolpartikel, umfasst.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Mediumspeicher (6a–6g) eine Druckregeleinrichtung zugeordnet ist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumspeicher (6a–6g) mehrere, insbesondere geschlossene, Kammern, vorzugsweise mit jeweils mindestens einem Drucksensor (7a–7h), aufweist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumspeicher (6a–6g) als Schlauch und/oder hülsenförmig ausgebildet ist.
Kollisionsdetektionsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mediumspeicher (6a–6g) ein, vorzugsweise elastisches, Stützmaterial angeordnet ist und/oder dass der Mediumspeicher (6a–6g) eine Stützkontur aufweist.
Handhabungsgerät, insbesondere Roboter, vorzugsweise Roboterarm, mit einer Kollisionsdetektionsvorrichtung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Handhabungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Handhabungsgerät (1) und dem Mediumspeicher (6a–6g) ein Pufferelement, vorzugsweise aus einem elastischen Material, vorzugsweise aus Schaumstoff, angeordnet ist.
Handhabungsgerät nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumspeicher (6a–6g) das Handhabungsgerät (1), zumindest abschnittsweise, umfänglich umschließend angeordnet ist und/oder dass mehrere Mediumspeicher (6a–6g) in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.