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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Sicherheitsvorrichtung zur Verhinderung von Unfällen mit Personenschäden durch Maschinen, insbesondere Quetschungen oder dem Einklemmen menschlicher Extremitäten.
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Ein mögliches Anwendungsfeld ist, die Sicherheitsvorrichtung in einen Greifer zu integrieren, und diesen Greifer insbesondere in Verbindung mit Robotern zu nutzen.
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Insbesondere Roboter sind Handhabungssysteme, mit denen der Mensch in direkter physischer Interaktion arbeitet. Sie unterstützen manuelle Arbeitsplätze, indem sie Aufgaben arbeitsteilig mit dem Menschen ausführen. Die sensorischen Fähigkeiten, das Wissen und die Geschicklichkeit des Menschen werden so mit den Vorteilen des Roboters (z. B. Kraft, Ausdauer, Schnelligkeit und Genauigkeit) zu einem erweiterten Arbeitssystem verknüpft.
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Robotersysteme können ortsfest, portabel und mobil ausgeführt werden. Durch diese enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter ergeben sich neue Vorteile, wie z. B. eine Steigerung der Effizienz durch parallele und interaktive Aufgabenausführung von Mensch und Maschine sowie Kostenreduzierung und Ergonomieverbesserung durch Einsatz der spezifischen Stärken von Mensch und Maschine bei der Aufgabenausführung.
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Oftmals werden Roboter, die nicht vollständig getrennt von Menschen arbeiten, mit reduzierter Geschwindigkeit betrieben, die in der Regel 25 cm/s nicht überschreitet. Die Position des Roboters wird in der Regel überwacht. Des Weiteren werden solche Roboter in der Regel so konstruiert, dass entweder eine maximale statische Kraft von 150 N oder eine maximale dynamische Leistung von 80 Watt an dem Roboterflansch oder dem Werkzeugarbeitspunkt nicht überschritten werden.
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Der Nachteil dieser engen Zusammenarbeit ist jedoch, dass im Falle eines Fehlverhaltens von Mensch oder Roboter der Mensch dem Roboter schutzlos ausgeliefert ist. Somit besteht die Gefahr, dass der Mensch z. B. durch eine Bewegung des Roboters oder der am Roboter montierten Werkzeuge und Vorrichtungen verletzt werden kann. Die größte Gefahr ist ein Quetschen oder Einklemmen von menschlichen Extremitäten, insbesondere bei Greifbewegungen des Roboters.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwindet und es ermöglicht, automatisch die bewegende Kraft der betreffenden Maschinenkomponente zu vermindern, sobald ein menschliches Körperteil eingeklemmt wird.
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Die Aufgabe wird durch eine Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die automatisch erkennt, ob eine menschliche Extremität eingeklemmt wurde, und die Kraft des einklemmenden Elementes automatisch reduziert, indem sie das Element abschaltet oder eine Sicherheitsroutine (z. B. Öffnen eines Greifers) initiiert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Greifers erläutert. Dies soll jedoch keine Einschränkung der Erfindung darstellen. Auch außerhalb des Gebietes der Greifer erlaubt es die Sicherheitsvorrichtung, ein Einklemmen menschlicher Extremitäten zu verhindern, etwa zwischen Maschine und einem massiven Gegenstand, zum Beispiel Roboterarm und einem Werkstück oder Werkzeug.
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Bei einer direkten physischen Interaktion mit einer Maschine besteht ein erhöhtes Gefährdungspotential, insbesondere für die oberen menschlichen Extremitäten. Hierbei sind besonders die Hände gefährdet. Diese stehen in engstem physischem Kontakt mit der Maschine. Im Falle eines Fehlverhaltens von Mensch oder Maschine besteht somit die Gefahr, dass z. B. während des Schließvorgangs eines Greifers eine Hand zwischen Greifbacke und Werkstück oder Werkzeug gerät und gequetscht bzw. eingeklemmt wird. Der Mensch kann dabei im schlimmsten Fall schwere Verletzungen davontragen.
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Um ihre Aufgabe zu erfüllen, muss die Sicherheitsvorrichtung daher in diesem Falle sicher erkennen, ob eine menschliche Extremität oder aber ein Gegenstand, zum Beispiel ein Werkstück oder Werkzeug, während des Schließvorgangs des Greifers gegriffen wird.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Sicherheitsvorrichtung ein Flächenelement enthält, welches auf der Oberfläche des Bereichs der Maschine, innerhalb dessen ein Einklemmen verhindert werden soll, mittels eines Gelenks beweglich angeordnet ist. Das Gelenk ermöglicht dabei eine Verkippung des Flächenelements.
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Vorzugsweise wird diese Verkippung durch ein Gelenk aus der Gruppe Kugelgelenke, Scharniere oder weitere flexible Verbindungen, z. B. aus Gummi, erreicht.
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Dabei ist das Flächenelement vorzugsweise um seine beiden Achsen orthogonal zur Flächennormalen verkippbar. Dies hat den Vorteil, dass alle erforderlichen Freiheitsgrade überwacht werden können.
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Die Form des Flächenelements ist dabei von der Positionierung des Elements abhängig. Vorteilhaft ist es, wenn das Flächenelement eine Form hat, die dem Bereich entspricht, den die Sicherheitsvorrichtung sichern soll, und die diesen zu großen Teilen oder gar komplett überdeckt. Zum Beispiel ist es bei einem Einbau in das Haltesystem eines Greifers vorteilhaft, wenn das Flächenelement die Innenfläche des Haltesystems überdeckt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform befindet sich die Befestigung des Gelenks an dem Flächenelement in dessen Zentrum.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn bei einer Kraftwirkung auf das Flächenelement höchstens eine Verkippung erreicht wird und keine oder lediglich eine vernachlässigbare Verschiebung parallel zur Flächennormalen des Elements.
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Des Weiteren enthält die Sicherheitsvorrichtung Sensoren, die unter dem Flächenelement angeordnet sind und die Verkippung des Elements erfassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein Sensor, z. B. ein Piezoelement, im oder am Gelenk angeordnet und misst dessen Auslenkung.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Sensoren an den Seiten des Flächenelementes so angeordnet, dass bei einer Verkippung des Flächenelementes dieses mindestens einen Sensor betätigt. Dies wird dadurch erreicht, dass im Falle einer Bewegung des Flächenelements um einen Freiheitsgrad mindestens zwei Sensoren, jeweils in entgegengesetzten Bereichen unter dem Element, und im Falle von einer Bewegung um zwei Freiheitsgrade mindestens drei Sensoren verwendet werden.
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Im Folgenden werden nur noch Bewegungen um zwei Freiheitsgrade betrachtet werden, was eine Übertragung auf einen Bewegungsfreiheitsgrad jedoch nicht ausschließt.
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Vorzugsweise sind die Sensoren unter dem Flächenelement so angeordnet, dass, wenn man die Fläche unter dem Flächenelement in gleich große, aneinandergrenzende Flächenbereiche unterteilt, deren Anzahl der Anzahl der Sensoren entspricht, und sich jeweils ein Sensor in einem Flächenelement befindet. Vorzugsweise sind dabei die Sensoren oder Gruppen von Sensoren regelmäßig in gleichem Abstand zum Gelenk angeordnet, und besonders bevorzugt auch in jeweils gleichem Abstand zueinander.
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Bevorzugte Sensoren sind Schalter, Ventile, insbesondere Entlüftungsventile, Kraftaufnehmer, Piezoelemente oder Druckmessgeräte.
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Erfährt ein Sensor eine Druckveränderung oder eine auf ihn wirkende Kraft, so erzeugt er eine Reaktion. Diese Reaktion kann in einem elektrischen Signal bestehen oder in einem direkten Einwirken auf die Energiezufuhr oder den Kraftgeber des zu sichernden Elements der Maschine.
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Die Reaktion ist dabei abhängig von der Art der Bewegungsenergie des zu sichernden Elements der Maschine. Wird dieses Element elektrisch bewegt, dann wird vorzugsweise auch durch die Sensoren ein elektrisches Signal generiert, welches den Bewegungsvorgang unterbricht oder umkehrt.
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Wird eine pneumatische oder hydraulische Energiezufuhr verwendet, dann werden vorzugsweise Ventile als Sensoren verwendet, die direkt den Druck der zu dem Roboterelement führenden Leitungen vermindern oder umlenken. Damit wird direkt eine Unterbrechung der Energiezufuhr erreicht.
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In dem Falle, dass als Sensoren Kraftaufnehmer oder Piezoelemente verwendet werden, kann auch dynamisch die Krafteinwirkung auf den Sensor relativ zur Zeit erfasst werden. Da menschliche Extremitäten in der Regel weicher sind als ein Gegenstand wie Werkstück oder Werkzeug oder eine Wand, kann alleine durch Vergleich mit einer Kraftreferenzkurve entschieden werden, ob eine Sicherheitsgerichtete Reaktion erforderlich ist.
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Somit erhält man zusätzliche, redundante Informationen zu möglichen Gefahrensituationen, was Fehler bei der Messung minimiert.
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Maschinen, die mit der Sicherheitsvorrichtung versehen werden können, sind insbesondere Roboter.
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Im Folgenden wird die Funktion der Sicherheitsvorrichtung anhand eines Greifers, insbesondere für Roboter, erläutert.
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Ein Greifer ist an den Innenseiten seiner Greifbacken mit den Sicherheitsvorrichtungen ausgerüstet worden. Dabei ist es unerlässlich, dass die Sicherheitsvorrichtungen so angeordnet werden, dass im normalen Greifbetrieb eine Kraft auf jede Sicherheitsvorrichtung wirkt, die diese nicht verkippt. Gerät nun ein Teil einer Hand in den gesicherten Bereich dieses Greifers, und gerät dieser während des Greifvorgangs zwischen Werkstück/Werkzeug und Flächenelement, dann wird das Flächenelement unweigerlich verkippt. Dies ist auch der Fall, wenn die gesamte Hand oder ein Fuß dazwischen gerät, weil jedes dieser Körperteile eine keilförmige Form hat und so eine Verkippung des Flächenelements auch in diesem Fall unausweichlich ist.
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Durch die Verkippung werden die Sensoren an der heruntergedrückten Seite des Flächenelements betätigt und stoppen sofort den Greifvorgang oder es wird aufgrund der Information der Sensoren sogar eine Öffnung der Greifbacken eingeleitet.
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Auf diese Weise ist eine sichere Verhinderung von Quetschungen menschlicher Extremitäten gewährleistet.
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Ein Greifer für Roboter, auch Endeffektor genannt, übernimmt üblicherweise die eigentliche Handhabungsaufgabe des Roboters. Weitere Ausführungen von Endeffektoren sind z. B. passive Werkzeuge oder komplexe Greifer, die an spezielle Anwendungen angepasst werden können.
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Endeffektoren werden am Roboterträgersystem (Roboterflansch) befestigt und mit Energie- und Steuerleitungen verbunden. Man spricht von einem Greifersystem, wenn nicht nur der Greifer selbst, sondern alle am Roboterflansch angebrachten Komponenten gemeint sind. Diese können neben dem Greifer z. B. Kraft-Moment-Sensoren sein.
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Ein bevorzugter Greifer lässt sich in folgende Teilsysteme untergliedern:
- – Einen Flansch, der die Schnittstelle zwischen Maschine und Greifersystem bildet. Hierbei handelt es sich in der Regel um eine Schraubverbindung, die zusätzlich mit einem Passstift versehen ist, wodurch die Lage des Greifers zur Maschine eindeutig definiert ist. Durch den Flansch werden eine energetische Verbindung, eine Informationsschnittstelle und die Festlegung einer definierten Lage zwischen Maschine und Greifersystem geschaffen.
- – Ein Wirksystem (Haltesystem), insbesondere mindestens zwei Greifbacken, welches unmittelbar mit dem zu greifenden Objekt in Berührung kommt. Die Aufgabe des Haltesystems besteht auch in der Festlegung der Lage des zu greifenden Objekts zum Greifer. Bei mechanischen Greifern wird dies in Form von Kraft- oder Formschluss oder in Kombination von beiden realisiert.
- – Ein Antriebssystem (Antriebseinheit), welches die ihm zugeführte Energie in eine rotatorische oder translatorische Bewegung für das Haltesystem umwandelt. Diese Bewegungen erzeugen die erforderlichen Greifkräfte.
- – Ein Steuerungssystem, welches auf Eingangssignale reagiert und Ausgangssignale zum Bewegen des Greifers erzeugt. In der Regel geschieht dies über Ventile oder Relais, z. B. in Verbindung mit einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung).
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In Anlehnung an die Normen DIN EN ISO 10218-1:2007 und DIN 18650-1:2009 werden folgende maximal zulässigen Greifkräfte für den Greifer festgelegt, wenn eine menschliche Hand im Gefährdungsbereich des Greifers erkannt wird:
Maximal zulässige statische Greifkraft von 150 N (DIN EN ISO 10218-1:2007), und maximal zulässige dynamische Greifkraft von 400 N (DIN 18650-1:2009).
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Der Greifer ist vorzugsweise so geformt, dass er insbesondere in Verbindung mit Robotern eingesetzt werden kann, und ist besonders bevorzugt ein Greifer aus der Gruppe elektrische Greifer, pneumatische Greifer und hydraulische Greifer. Bevorzugte elektrische Greifer sind elektromagnetische oder elektromotorische Greifer.
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In einer besonderen Ausführungsform ist mindestens eine Sicherheitsvorrichtung an der Innenseite mindestens einer Greifbacke eines Haltesystems eines Greifers dermaßen angeordnet, dass im Falle, dass der Greifer einen vorschriftsmäßigen Gegenstand, z. B. ein Werkstück oder Werkzeug, greift, das Flächenelement nicht verkippt wird. Dies ist der Fall, wenn die resultierende Kraft, die auf das Flächenelement wirkt, etwa in der Normalen, an der Position des Gelenks an dem Flächenelement angreift.
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Vorzugsweise ist an allen Greifbacken dieses Haltesystems mindestens eine Sicherheitsvorrichtung angebracht.
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In dem Falle, dass eine Greifbacke an ihrer Innenseite gradflächig ist, wird vorzugsweise eine einzige Sicherheitsvorrichtung verwendet. In dem Falle, dass die Innenfläche der Greifbacke aus mehreren zueinander geneigten Flächen besteht, wird vorzugsweise jede dieser Flächen von jeweils einer Sicherheitsvorrichtung überdeckt.
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In einer besonderen Ausführungsform wird das Haltesystem des Greifers elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch bewegt und die Sensoren liefern elektrische Informationen, um die Bewegung zu unterbrechen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Haltesystem hydraulisch oder pneumatisch bewegt und die Sensoren sind Ventile, die direkt die Zufuhr des Fluids unterbrechen oder für einen Druckabfall in der für die Bewegung zuständigen Druckleitung sorgen.
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Für den bevorzugten Fall, dass eine pneumatische Energiezufuhr verwendet wird, wird in dem Falle, dass die Flächeneinheit verkippt und mindestens eines der Ventile aktiviert wird, die Druckluftleitung der Antriebseinheit des Greifers durch das Ventil als Sensor mechanisch entlüftet. Dies führt zu einer Reduzierung der Greifkraft des Greifers. Bei einer korrekten Konstruktion, die dem Fachmann bekannt ist, liegt die Greifkraft in einem solchen Fall weit unterhalb der erlaubten Grenzwerte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Greifer ein Parallelgreifer, bei dem insbesondere die Greifbacken planparallel zueinander ausgerichtet sind.
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Beispiele für die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 zeigt skizzenhaft den Aufbau einer Sicherheitsvorrichtung.
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2 zeigt skizzenhaft eine mögliche Aktivierung dieser Sicherheitsvorrichtung.
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2A zeigt einen alternativen Weg zur Druckminderung direkt durch die Ventile.
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3 zeigt eine menschliche Hand.
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4 zeigt einen Greifer mit eingebauter Sicherheitsvorrichtung.
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5 zeigt diesen Greifer im störungsfreien Betrieb.
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6 zeigt diesen Greifer im Falle, dass eine komplette menschliche Hand eingeklemmt wird.
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7 zeigt diesen Greifer im Falle, dass ein Teil einer menschlichen Hand eingeklemmt wird.
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8 zeigt einen Greifer für runde Werkstücke.
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In 1 ist eine Sicherheitsvorrichtung (1), bestehend aus dem Flächenelement (2), welches in dem Gelenk (3) aufgehängt ist, und den beiden Sensoren (4) dargestellt. Das Gelenk ermöglicht eine Verkippung des Flächenelements, wobei bei einem gewissen Kippwinkel einer der Sensoren betätigt wird.
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Dieser Fall ist in 2 dargestellt. Dort befindet sich über und unter einem rechteckigen Werkstück (12) jeweils eine Sicherheitsvorrichtung, die z. B. an jeweils einer Greifbacke eines Greifers angebracht wurde.
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Wird nun nicht nur das Werkstück/Werkzeug gegriffen, sondern auch ein keilförmiger Gegenstand (13), so verkippt sich unweigerlich das Flächenelement der Sicherheitsvorrichtung auf der Seite des keilförmigen Gegenstandes.
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Da eine menschliche Hand, wie in 3 gezeigt, eine solche Keilform aufweist, wird das Flächenelement folglich automatisch verkippt, sobald eine menschliche Hand zusammen mit dem Gegenstand, z. B. Werkstück oder Werkzeug, ergriffen wird.
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Wie man deutlich erkennen kann, wird der rechte Sensor durch die Verkippung des unteren Flächenelements durch den Keil (13) heruntergedrückt.
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In dem dargestellten Fall wird die Greifbewegung durch ein Pneumatik- oder Hydrauliksystem gespeist. Ein Teil dieses Systems stellt die Rohrleitung 5 dar. Bei einer normalen Greifbewegung wird ein Fluid unter Druck in den Einlass 6 eingeleitet und gelangt durch den Auslass 7 zur Versorgung des Antriebssystems. Dies ist hier nicht der Fall, wie durch den gestrichelten Pfeil bei (7) angedeutet wird.
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Durch die Aktivierung des rechten Sensors wird ein Auslass (8) der Rohrleitung geöffnet, und das Fluid tritt durch diesen Auslass aus, z. B. in ein Sammelbehältnis oder einen Kreis zum Umkehren des Greifvorganges.
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Eine weitere Möglichkeit der Druckminderung ist in 2A dargestellt. Hier tritt das Fluid direkt über den Sensor aus (8). Als Sensor kann hier insbesondere ein einfaches Ventil verwendet werden, was im unbelasteten Zustand geschlossen ist und bei einem anliegenden Druck gegen die Öffnungseinrichtung des Ventils geöffnet wird. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für pneumatisch betriebene Systeme.
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Auf diese Weise wird die Zugreifkraft minimiert oder aufgehoben und eine Quetschung des einkeklemmten Körpers verhindert.
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Deutlich ist auf der Seite des linken Ventils zu erkennen, dass Zugang zum Notauslass verschlossen ist, wenn das Ventil nicht aktiviert ist.
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In 4 ist ein Parallelgreifer mit eingebauter Sicherheitsvorrichtung dargestellt. Ein solcher Parallelgreifer zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Greifbacken beim Greifvorgang planparallel zueinander schließen. Dies bedeutet, dass die Greifbacken während und auch nach Beendigung des Greifvorganges parallel zueinander ausgerichtet sind. Somit ist die Längenänderung zwischen den jeweils oberen Rändern der beiden Flächenelemente und den jeweils unteren Rändern der beiden Flächenelemente während des gesamten Schließvorgangs gleich.
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Um die Planparallelität der Greifbacken auch bei unförmigen Gegenständen wie Werkstücken/Werkzeugen sicherzustellen, können diese dem zu greifenden Gegenstand konstruktiv so angepasst werden, dass ein planparalleler Schließvorgang weiterhin gegeben ist, wie z. B. in 8 zum Greifen von runden Gegenständen dargestellt ist.
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Die mit den Pfeilen (9) gekennzeichneten Flächen sind die Flächen, an denen an jeder Greifbacke bevorzugt Sicherheitsvorrichtungen angebracht werden sollten.
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Die Sicherheitsvorrichtung ist in den beiden Greifbacken angeordnet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass auf handelsübliche Antriebseinheiten für Greifer zurückgegriffen werden kann, und zum anderen kann die entwickelte Sicherheitsfunktion theoretisch in vorhandene Parallelgreifer implementiert werden.
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Die Flächenelemente werden vorzugsweise mit Kugelgelenken mittig an den Greifbackeninnenseiten angebracht. Hierbei ist es wichtig, dass im unbelasteten Zustand die Flächenelemente planparallel zueinander ausgerichtet sind.
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Die Funktion der beweglichen Flächenelemente ist es, sich den Gegebenheiten beim Greifen eines Werkstückes (5) anzupassen. Befindet sich während des Greifvorgangs eine Hand im Wirkbereich des Greifers, wie in den 6 und 7 dargestellt, so richten sich die Flächenelemente gemäß der Form der Hand aus.
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Dies hat zur Folge, dass aufgrund der Keilform der Hand ein planparalleles Schließen der Greifbackenteller nicht mehr möglich ist.
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In dem Falle, dass es sich um einen pneumatischen oder hydraulischen Greifer handelt, ist eine einfache Druckreduzierung der Zuleitungen der Antriebseinheit nach dem in 2 dargestellten Prinzip möglich. Im Falle eines elektrisch gesteuerten Greifers ist einfach eine Notabschaltung oder Aktivierung einer Sicherheitsroutine durch das Sensorsignal möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Normen DIN EN ISO 10218-1:2007 [0037]
- DIN 18650-1:2009 [0037]
