DE102010029784B3

DE102010029784B3 - Roboter

Info

Publication number: DE102010029784B3
Application number: DE201010029784
Authority: DE
Inventors: Armin Pehlivan; Michael Jäger; Thomas 33378 Rettig
Original assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Beckhoff Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboter 1, aufweisend einen Roboterantrieb 6 und einen Roboteraufbau 5, der einen Distanzstab 60, einen Roboterkopf 40 und wenigstens einen Steuerarm 31–36 umfasst, wobei der Roboterantrieb 6 und der Roboterkopf 40 über den Distanzstab 60 und den Steuerarm 31–36 miteinander verbunden sind, wobei der Roboterantrieb 6 ausgelegt ist, den Roboterkopf 40 mittels des Distanzstabs 40 und des Steuerarms 31–36 zu drehen, wobei der Roboterkopf 40 eine Befestigungsgruppe 70 und eine Aktuatorgruppe 80 umfasst, wobei die Befestigungsgruppe 70 mit dem Steuerarm 31–36 und dem Distanzstab 60 verbunden ist, wobei die Befestigungsgruppe 70 mit der Aktuatorgruppe 80 mittels eines Übersetzungsgetriebes 50 gekoppelt ist, wobei das Übersetzungsgetriebe 50 ausgelegt ist, ein Verdrehen der Befestigungsgruppe 70 in eine Verdrehung der Aktuatorgruppe 80 gemäß eines vorbestimmten Übersetzungsverhältnisses umzusetzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter, aufweisend einen Roboterantrieb und einen Roboteraufbau, der einen Distanzstab, einen Roboterkopf und wenigstens einen Steuerarm umfasst, wobei der Roboterantrieb und der Roboterkopf über den Distanzstab und den Steuerarm miteinander verbunden sind, wobei der Roboterantrieb ausgelegt ist, den Roboterkopf mittels des Distanzstabs und des Steuerarms zu drehen.
Moderne Fertigungs- und Verpackungsanlagen erfordern in zunehmendem Maße kürzere Taktzeiten bei gleichbleibenden Verfahrwegen. Um die bestehenden Taktzeiten zu verringern, können beispielsweise die bewegten Massen der eingesetzten Roboter der Fertigungs- und Verpackungsanlagen reduziert werden, um die Roboterkinematik der Roboter schneller beschleunigen zu können. Zum Aufbau eines massenarmen Roboters eignet sich der aus der US 4,666,362 A bekannte Seilroboter. Die bewegten Massen des Seilroboters sind insbesondere dadurch gering, da die Antriebe für die einzelnen verschiedenen Achsen nicht mitbewegt werden müssen. Ferner können Seile des Seilroboters hohe Lasten bei gleichzeitig geringem Gewicht aufnehmen und übertragen.
Der aus der US 4,66,362 A bekannte Seilroboter weist eine Antriebsplattform und eine von der Antriebsplattform beabstandete Arbeitsplatte auf, die mit einem Distanzstab mit der Antriebsplattform verbunden sind. Ferner sind die Arbeitsplatte, und die Antriebsplattform mit sechs Seilzügen gekoppelt, wobei die Seilzüge durch jeweils einen Seilzugantrieb betätigt werden, der an der Antriebsplattform angeordnet ist und variabel die Länge des korrespondierenden Seilzugs verändert. Durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Seilzugantriebe und damit der Seilzüge kann die Arbeitsplatte in sechs Achsrichtungen bewegt werden. Eine dieser Achsrichtungen ist eine Drehung der Arbeitsplatte um ihre Flächennormale. Der aus der US 4,666,362 A bekannte Aufbau des Roboters lässt jedoch nur einen sehr beschränkten Drehwinkel zu.
Aus der DE 10 2008 019 965 A1 , der EP 2241416 A1 und der US 7 172 385 B2 sind zudem weitere Roboter bekannt, deren Roboterkopf in eine Drehrichtung ansteuerbar sind.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen gewichtsoptimierten Roboter bereitzustellen, dessen Roboterkopf einen vergrößerten Drehbereich aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Roboter gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Roboter mit einem Roboterantrieb und einem Roboteraufbau vorgeschlagen. Der Roboteraufbau umfasst einen Distanzstab, einen Roboterkopf und wenigstens einen Steuerarm. Der Roboterantrieb und der Roboterkopf sind über den Distanzstab und den Steuerarm miteinander verbunden, wobei der Roboterantrieb den Roboterkopf mittels des Distanzstabs und des Steuerarms dreht. Der Roboterkopf umfasst eine Befestigungsgruppe und eine Aktuatorgruppe, wobei die Befestigungsgruppe mit dem Steuerarm und dem Distanzstab verbunden ist. Die Befestigungsgruppe ist mit der Aktuatorgruppe mittels eines Übersetzungsgetriebes gekoppelt, wobei das Übersetzungsgetriebe ein Verdrehen der Befestigungsgruppe in eine Verdrehung der Aktuatorgruppe gemäß einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis umsetzt.
Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein an der Aktuatorgruppe angeordneter Aktuator, beispielsweise ein Greifer, einen vergrößerten Drehbereich aufweist, wobei gleichzeitig die Masse des Roboterkopfs reduziert ist. Dieser Vorteil gewährleistet, dass der Roboterkopf besonders schnell und mit geringem Energieaufwand beschleunigt werden kann, so dass die Verfahrzeiten innerhalb des Arbeitsraums des Roboters verringert werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Distanzstab mit einer Antriebsplattform des Roboterantriebs und mit dem Roboterkopf des Roboteraufbaus über ein Gelenk torsionssteif gegenüber einer Verdrehung um eine Längsachse des Distanzstabs ausgelegt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass ein Verdrehen des Distanzstabs vermieden wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das torsionssteife Gelenk als homokinetisches Gelenk oder Kardangelenk ausgebildet. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Befestigung des Distanzstabs an der Antriebsplattform und dem Roboterkopf torsionssteif ist, aber gleichzeitig zwei Freiheitsgrade zum Schwenken des Gelenks zur Verfügung stehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Übersetzungsgetriebe als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad ausgebildet, das mit der Aktuatorgruppe verbunden ist. Auf diese Weise kann eine besonders flache Ausbildung des Roboterkopfs zur Verfügung gestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind ein Hohlrad des Planetengetriebes mit der Befestigungsgruppe und die Planeten des Planetengetriebes mit dem Distanzstab verbunden. Dies gewährleistet einen einfachen Aufbau des Roboterkopfs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Befestigungsgruppe einen Planetenträger, wobei der Planetenträger drehbar an einer Befestigungsplatte der Befestigungsgruppe gelagert ist. Die Befestigungsplatte ist mit dem Steuerarm verbunden. Ferner ist der Planetenträger mit dem Distanzstab verbunden. Auf diese Weise kann eine Rotation des Planetenträgers um die Flächennormale der Befestigungsgruppe vermieden werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Aktuatorgruppe mittels einer an dem Planetenträger befestigten Bolzenverschraubung axial gelagert. Dies stellt eine einfache Möglichkeit zur Lagerung der Aktuatorgruppe dar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umgreift die Befestigungsplatte das Hohlrad des Planetengetriebes radial, wobei die Befestigungsplatte eine erste radiale Lagerung für den Planetenträger und eine zweite radiale Lagerung für die Aktuatorgruppe bereitstellt. Dabei ist das Hohlrad zwischen der ersten Lagerung und der zweiten Lagerung angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Ausbildung des Roboterkopfs.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Roboter sechs Steuerarme, die jeweils mit einem Steuerarmantrieb des Roboterantriebs verbunden sind, wobei jeweils zwei Steuerarme gemeinsam an einem Befestigungspunkt an der Befestigungsgruppe angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein besonders gering nachschwingender Roboter bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Steuerarm einen Seilzug, wobei der Seilzug mit dem Roboterkopf und dem Roboterantrieb verbunden ist, und wobei der Roboterantrieb für jeden Seilzug einen Seilzugantrieb umfasst, der ausgelegt ist, jeweils den betreffenden Seilzug zu betätigen. Durch die Ausbildung der Steuerarme mittels Seilzug kann ein besonders massenarmer Roboteraufbau zur Verfügung gestellt werden, wobei dieser Vorteil darin resultiert, dass der Roboteraufbau geeignet ist, hohe Beschleunigungswerte zur Manövrierung des Roboterkopfs zu ertragen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Seilzug mittels wenigstens einer Umlenkrolle geführt, wobei die Umlenkrolle an der Antriebsplattform befestigt ist und ausgelegt ist, eine Zugkraft des Seilzugs zumindest teilweise auf die Antriebsplattform zu stützen. Auf diese Weise kann der Seilzugantrieb bauraumgünstig angeordnet werden, ohne die Funktionsweise des Roboterantriebs zu beeinträchtigen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Roboter eine Trennwand, die zwischen dem Roboterantrieb und dem Roboteraufbau angeordnet ist und den Roboterantrieb räumlich von dem Roboteraufbau trennt. Dabei weist die Trennwand wenigstens eine Steuerarmdurchführung auf. Dieser Aufbau ist besonders für einen Einsatz in der Lebensmittelindustrie geeignet. Zur Reinigung des Roboteraufbaus werden hierbei aggressive und gegebenenfalls korrosive Reinigungsmittel eingesetzt werden, wobei durch die räumliche Trennung des Roboterantriebs vom Roboteraufbau der Roboterantrieb kostengünstig und einfach vor den Reinigungsmitteln geschützt werden kann. Der Vorteil resultiert auch darin, dass für den Seilzugantrieb Komponenten verwendet werden können, die üblicherweise keine Reinigungsmittel-resistente Abdichtung aufweisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Seilroboters;
2 eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Roboterkopf des in 1 gezeigten Seilroboters;
3 eine schematische Draufsicht auf den in 2 gezeigten Roboterkopf;
4 eine schematische Unteransicht des in 2 gezeigten Roboterkopfs; und
5 eine Abwandlung des in 1 gezeigten Aufbaus des Seilroboters.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Seilroboters 1, der einen Roboteraufbau 5 und einen Roboterantrieb 6 umfasst. In 1 sind ferner ein globales Koordinatensystem mit aufeinander senkrecht stehenden Achsen x, y, z und zwei weitere lokale Koordinatensysteme für die verfahrbaren Komponenten des Roboteraufbaus 5 mit aufeinander senkrecht stehenden Achsen x₁, y₁, z₁ bzw. x₂, y₂, z₂ dargestellt. Die gezeigten Koordinatensysteme sollen die Funktionsweise des Seilroboters 1 verdeutlichen.
Der Roboterantrieb 6 des Seilroboters 1 umfasst eine quadratisch ausgeführte Antriebsplattform 2O mit im Eckbereich angeordneten Befestigungsöffnungen 15 zur Befestigung der Antriebsplattform 20 an einem nicht dargestellten Trägergestell. Der Roboterantrieb 6 umfasst ferner sechs auf der Oberseite der quadratisch ausgeführten Antriebsplattform 20 angeordnete Seilzugantriebe 10. Die Seilzugantriebe 10 umfassen jeweils einen Elektromotor 13 mit einem Antriebsgetriebe und einer damit verbunden Seiltrommel 11. Ferner ist an jedem Seilzugantrieb 10 noch ein Sensor (nicht dargestellt) vorgesehen, wodurch die Position der zugehörigen Seiltrommel 11 erfasst werden kann.
Der Roboteraufbau 5 des Seilroboters 1 umfasst einen Distanzstab 60, sechs Seilzüge 31 bis 36 als Steuerarme mit korrespondierenden Umlenkrollen 12 und einen Roboterkopf 40. An der Unterseite, der Anordnung der Seilzugantriebe 10 gegenüberliegend, sind die Umlenkrollen 12 an der Antriebsplattform 20 des Roboterantriebs 6 befestigt. Die Umlenkrollen 12 umfassen jeweils eine in der Antriebsplattform 20 angeordnete erste Seilzugdurchführung 21. Der Distanzstab 60 verbindet den Roboterkopf 40 mit der Antriebsplattform 20 des Roboterantriebs 6. Hierzu ist der Distanzstab 60 vorzugsweise mittels eines ersten oberen Gelenks 42 mit der Unterseite der Antriebsplattform 20 des Roboterantriebs 6 verbunden. An der Oberseite des Roboterkopfs 40 ist ein unteres zweites Gelenk 41 angeordnet, das den Roboterkopf 40 mit dem unteren Ende des Distanzstabs 60 verbindet. An der Unterseite des Roboterkopfs 40 ist vorzugsweise ein Greifer 43 angeordnet.
Der Distanzstab 60 des Roboteraufbaus 5 ist gegenüber der Antriebsplatte 20 des Roboterantriebs 6 schwenkbar angeordnet und weist ein eigenes Koordinatensystem mit den aufeinander senkrecht stehenden Achsen x₁, y₁, z₁ auf. In der in 1 dargestellten Position des Distanzstabs 60 verlaufen die Achsen x₁, y₁, z₁ des Koordinatensystems des Distanzstabs 60 zu dem globalen Koordinatensystem x, y, z etwa parallel.
Der Distanzstab 60 weist einen teleskopartigen Aufbau mit einem oberen äußeren Teil 61 des Distanzstabs 60 und einen in den äußeren Teil 61 einfahrbaren unteren Teil 62 auf. Dadurch weist der Distanzstab 60 eine veränderliche Länge auf. Der Distanzstab 60 weist ferner innenseitig ein nicht weiter dargestelltes Federelement auf, das ausgelegt ist, den unteren Teil 62 des Distanzstabs 60 aus dem oberen Teil 61 zu drücken, wodurch der Distanzstab 60 den Roboterkopf 40 von der Antriebsplattform 20 wegdrückt (in 1 in z-Richtung bzw. z₁-Richtung). Der Distanzstab 60 kann beispielsweise als Luftdruckfeder, Öldruckfeder oder als Stabfeder ausgeführt sein.
Der Distanzstab 60 des Roboteraufbaus 5 ist torsionssteif ausgebildet, so dass der untere Teil 62 des Distanzstabs 60 gegenüber dem oberen Teil 61 um eine Längsachse 63 (z₁-Achse) des Distanzstabs 60 nicht verdrehbar ist. Eine Torsionssteifigkeit des Distanzstabs 60 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der untere Teil 62 eine Ausbuchtung (nicht dargestellt) aufweist, die parallel zur Längsachse 63 des Distanzstabs 60 verläuft und umfangsseitig am unteren Teil 62 angeordnet ist. Der obere Teil 61 weist eine zur Ausbuchtung korrespondierende Nut (nicht dargestellt) auf, in die die Ausbuchtung des unteren Teils 62 eingreift, um so ein Verdrehen des unteren Teils 62 des Distanzstabs 60 gegenüber dem oberen Teil 61 des Distanzstabs 60 zu vermeiden. Selbstverständlich sind auch andere Ausbildungen des Distanzstabs 60 denkbar. Wesentlich in der Gestaltung des Distanzstabs 60 ist jedoch die torsionssteife Ausführung des Distanzstabs 60.
Der Distanzstab 60 des Roboteraufbaus 5 ist, wie bereits oben erwähnt, an der Antriebsplattform 20 unterseitig mittels des oberen Gelenks 42 und an dem Roboterkopf 40 oberseitig mittels des unteren Gelenks 41 befestigt. Dabei ist das obere Gelenk 42 in der in 1 dargestellten Ausführungsform drehfest bzw. torsionssteif um die z₁-Achse bzw. die Flächennormale (z-Achse) der Antriebsplattform 20 des Roboterantriebs 6 ausgeführt, so dass der obere Teil 61 des Distanzstabes 60 nicht um die z₁-Achse verdrehbar ist, jedoch ein Schwenken des Distanzstabs 60 um die x-Achse und die y-Achse an der Antriebsplattform 20 ermöglicht wird.
In gleicher Weise ist ebenso das untere Gelenk 41 am Roboterkopf 40 ausgebildet, so dass das untere Gelenk 41 zwar um die x₁-Achse und y₁-Achse geschwenkt werden, jedoch nicht um die z₁-Achse (bzw. z₂-Achse) verdreht werden kann. Das untere Gelenk 41 kann dabei, wie auch das obere Gelenk 42, beispielsweise als homokinetisches Gelenk oder als Kardangelenk ausgeführt sein. Selbstverständlich sind weitere Ausbildungsformen des oberen bzw. des unteren Gelenks 41, 42 denkbar, die eine Verdrehung des unteren Gelenks 41 um die Längsachse 63 des Distanzstabs 60 verhindern.
An jeder Seiltrommel 11 des Seilzugantriebs 10 ist jeweils einer der Seilzüge 31 bis 36 befestigt. Die Seilzüge 31 bis 36 sind ferner über die ersten Seilzugdurchführungen 21 durch die Antriebsplattform 20 und über die Umlenkrollen 12 an eine Befestigungsgruppe 70 des Roboterkopfs 40 geführt, an der die Seilzüge 31 bis 36 befestigt sind. Dabei sind die Umlenkrollen 12 als Abspannpunkte der Seilzüge 31 bis 36 an der Antriebsplattform 20 ausgebildet und übertragen jeweils einen Teil einer Zugkraft der Seilzüge 31 bis 36 auf die Antriebsplattform 20.
Die Umlenkrollen 12, als erste Seilaufhängepunkte ausgelegt, bilden eine sechseckförmige erste Befestigungsfläche 28 an der Antriebsplattform 20 des Roboterantriebs 6 aus. Die erste Befestigungsfläche 28 wird aus je zwei Dreiecken 25, 26, die in 1 gestrichelt dargestellt sind, gebildet. Die Eckpunkte der beiden Dreiecke 25, 26, sind durch die ersten Seilaufhängepunkte bzw. die Umlenkrollen 12 bestimmt, wobei ein erstes Dreieck 25 durch die Umlenkrollen 12 der drei Seilzüge 31, 34, 35 bestimmt ist. Das zweite Dreieck 26 wird durch die die Umlenkrollen 12 der Seilzüge 32, 33, 36 gebildet. Das zweite Dreieck 26 entspricht dem ersten Dreieck 25 geometrisch, jedoch ist das zweite Dreieck 26 um einen Schwerpunkt 27 des ersten Dreiecks 25 verdreht. Dadurch sind die Umlenkrollen 12 bzw. die ersten Seilaufhängepunkte auf einem Umkreis (nicht dargestellt) um den Schwerpunkt 27 des ersten Dreiecks 25 angeordnet.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist eine geringe Verdrehung des zweiten Dreiecks 26 zum ersten Dreieck 25 gewählt, so dass die Umlenkrollen 12 etwa paarweise auf der Antriebsplattform 20 angeordnet sind, wobei die Paare der Umlenkrollen 12 jeweils durch eine Umlenkrolle 12 des ersten Dreiecks 25 und durch eine zur Umlenkrolle 12 des ersten Dreiecks 25 benachbarte Umlenkrolle 12 des zweiten Dreiecks 26 gebildet werden. Dabei weisen die beiden Umlenkrollen 12 jeweils einen Abstand zwischen den Paaren der Umlenkrollen 12 auf.
Der Roboterkopf 40 umfasst eine oberseitig angeordnete Befestigungsgruppe 70 und eine daran unterseitig angeordnete Aktuatorgruppe 80 mit dem Greifer 43. Die Aktuatorgruppe 80 ist mittels eines in 2 bis 4 dargestellten und näher beschriebenen Übersetzungsgetriebes 50 mit der Befestigungsgruppe 70 gekoppelt.
Der Roboterkopf 40 ist gegenüber der Antriebsplatte 20 und dem Distanzstab 60 schwenkbar angeordnet und weist ein eigenes Koordinatensystem mit den aufeinander senkrecht stehenden Achsen x₂, y₂, z₂ auf. In der in 1 dargestellten Position des Roboterkopfes 40 verlaufen die Achsen x₂, y₂, z₂ des Koordinatensystems des Roboterkopfes 40 zu dem globalen Koordinatensystem x, y, z etwa parallel.
Die Befestigungsgruppe 70 des Roboterkopfs 40 umfasst eine vorzugsweise etwa dreiecksförmig ausgebildete Befestigungsplatte 73, wobei in jedem Eckbereich der Befestigungsplatte 73 in Seilaufhangepunkten 37 jeweils zwei Seilzüge 31 bis 36 an der Befestigungsplatte 73 befestigt sind. In den Seilaufhängepunkten 37 werden jeweils ein Seilzug 31, 34, 35 des ersten Dreiecks 25 und ein Seilzug 32, 33, 36 des zweiten Dreiecks 26 zusammengeführt, wobei jedoch die Seilzüge 31 bis 36 der beiden Dreiecke 25, 26 zusammengeführt werden, deren Umlenkrollen 12 zueinander beabstandet an der Antriebsplattform 20 angeordnet sind, wobei jeweils ein in dem zweiten Seilzugaufhängepunkt 37 zusammengeführter Seilzug 31–36 von einem unterschiedlichen Paar von Umlenkrollen 12 stammt. So sind beispielsweise der Seilzug 35 des ersten Dreiecks 25 und der Seilzug 32 des zweiten Dreiecks 26 in dem in der 1 zum Betrachter vorderseitig angeordneten Seilaufhängepunkt 37 zusammengeführt und an der Befestigungsplatte 73 befestigt.
Die Seilaufhängepunkte 37 der Befestigungsplatte 73 weisen jeweils einen zweiten Abstand zueinander auf, wobei die jeweiligen zweiten Abstände in gleichem Verhältnis zu den jeweiligen ersten Abständen der Umlenkrollen 12 stehen. In der Ausführungsform ist das Verhältnis der beiden Abstände zueinander derart gewählt, dass die Seilzüge 31 bis 36 von den Umlenkrollen 12 zu den zweiten Befestigungspunkten 37 in unverdrehtem Zustand des Roboterkopfs 40 bzw. unverdreht bezüglich der z₂-Achse der Befestigungsplatte 73 etwa parallel verlaufen, wobei die Seilzüge 31 bis 36 von jeweils einem Paar von Umlenkrollen 12 kommend an zwei nebeneinander angeordneten zweiten Seilaufhängepunkten 37 befestigt werden. Es ist aber auch eine andere Anordnung der Seilzüge 31 bis 36 an dem Roboterkopf 40 der und/oder an den Umlenkrollen 12 an der Antriebsplattform 20 denkbar.
Um eine Position des Roboterkopfs 40 in einem Verfahrraum des Seilroboters 1 festzulegen, drückt der Distanzstab 60 den Roboterkopf 40, wie oben erläutert, von der Antriebsplattform 20 weg. Die Seilzüge 31 bis 36 nehmen in der Ausführungsform die Druckkraft des Distanzstabs 60 auf und leiten diese zumindest teilweise über die Umlenkrollen 12 an die Antriebsplattform 20 weiter. Ferner sind die Seilzüge 31 bis 36 ausgelegt, eine am Greifer 43 angreifende Kraft, beispielsweise durch eine zu verfahrende Last (nicht dargestellt), aufzunehmen und ebenso an der Antriebsplattform 20 abzustützen.
Werden die Seilzüge 31 bis 36 über die Seilzugantriebe 10 betätigt, so wird die Länge des Seilzuges 31 bis 36 entsprechend gelängt oder verkürzt. Auf diese Weise kann der Roboterkopf 40 im Verfahrraum in der in 1 dargestellten Ausführungsform um die drei Achsen des globalen Koordinatensystems x, y, z verfahren werden. Ferner kann der Roboterkopf 40 um die x₁-Achse und y₁-Achse gekippt und um die Flächennormale (z₂-Achse) der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 verdreht werden. Um eine gleichmäßige Kraftverteilung an den Seilzügen 31 bis 36 beim Verfahren des Roboterkopfs 40 zu gewährleisten, ist der Distanzstab 60 mit dem oberen und unteren Gelenk 41, 42 in jeweils einem Schwerpunkt der Befestigungsfläche 28, 29 angeordnet.
Um den Greifer 43 der Aktuatorgruppe 80 um die z₂-Achse der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 zu drehen, werden die Seilzugantriebe 10 des Roboterantriebs 6 derart angesteuert, dass die Seilzüge 32, 33, 36 angezogen werden bzw. deren Länge verkürzt wird, während hingegen in gleicher Weise die Längen der Seilzüge 31, 35, 34 gelängt werden. Entsprechend der Längung bzw. der Verkürzung der Seilzüge 31 bis 36 wird die Befestigungsgruppe 70 bzw. die Befestigungsplattform 73 des Roboterkopfs 40 um die z₂-Achse verdreht.
Auf eine Übersetzung der Verdrehung um die z₂-Achse der Befestigungsgruppe 70 zu dem Greifer 43 der Aktuatorgruppe 80 mittels eines Übersetzungsgetriebes 50 wird gesondert in den 2 bis 4 eingegangen.
Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform ist es denkbar, dass das zweite Dreieck 26 der ersten Seilaufhängepunkte bzw. der Umlenkrollen 12 zum ersten Dreieck 25 der Umlenkrollen 12 derart um den Schwerpunkt 27 des ersten Dreiecks 25 verdreht ist, dass das zweite Dreieck 26 mit dem ersten Dreieck 25 überlappt und die Umlenkrollen 12 des zweiten Dreiecks 26 an den Umlenkrollen 12 des ersten Dreiecks 25 angeordnet sind. Dies resultiert in schräg verlaufenden Seilzügen 31 bis 36, wobei in 1 gemäß der Alternative beispielsweise der Seilzug 32 zusammen mit dem Seilzug 31 einen ersten Seilaufhängepunkt aufweist. Die beiden Seilzüge 31, 32 sind jedoch an der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 in zwei unterschiedlichen Seilaufhängepunkten 37 mit jeweils einem weiteren Seilzug 33 bis 36 befestigt. Dies gewährleistet eine besonders stabile Ausführung des Seilroboters 1.
Es wird darauf hingewiesen, dass anstatt der quaderförmigen Ausbildung der Antriebsplattform 20 auch zahlreiche andere Ausbildungsformen der Antriebsplattform 20, wie etwa kreisförmig, trapezförmig oder vieleckförmig, denkbar sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den in 1 gezeigten Roboterkopf 40 in der x₂-z₂-Ebene auf Höhe der Mitte des unteren Gelenks 41. Eine schematische Draufsicht auf den Roboterkopfs 40 ist in 3 und eine schematische Unteransicht des Roboterkopfs 40 in teilmontiertem Zustand in 4 dargestellt.
Die Befestigungsgruppe 70 umfasst, wie oben erläutert, neben der Befestigungsplatte 73 und einem Gelenkträger 71 das Übersetzungsgetriebe 50. Das Übersetzungsgetriebe 50 ist in 2 bis 4 als Planetengetriebe ausgebildet, das ein Hohlrad 92, vorzugsweise drei Planetenräder 76, einen Planetenträger 75 und ein Sonnenrad 82 umfasst. Zusätzlich umfasst der Planetenträger 75 des Planetengetriebes 50 einen Befestigungsbolzen 84 zur Befestigung der Aktuatorgruppe 80 und korrespondierend zu den Planetenrädern 76 drei Planetenträgerbolzen 78 zur Befestigung der Planetenräder 76. Die mit der Befestigungsgruppe 70 gekoppelte Aktuatorgruppe 80 umfasst neben dem Greifer 43 eine mit dem Greifer 43 verbundene Arbeitsplatte 81.
Die Planetenräder 76 und das Sonnenrad 82 des Planetengetriebes 50 sind als Stirnräder ausgeführt und weisen umfangsseitig eine Außenverzahnung 85 auf, die zu einer an einer inneren Umfangsfläche angeordneten Innenverzahnung 91 des Hohlrads 92 korrespondiert.
Der Planetenträger 75 des Planetengetriebes 50 wird von der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 vollständig radial umgriffen. An einer radialen außen liegenden Umfangsfläche des Planetenträgers 75 ist eine erste Lagerung 74 des Planetenträgers 75 vorgesehen, die an einer Innenseite der Befestigungsplatte 73 angeordnet ist. Die erste Lagerung 74 des Planetenträgers 75 gewährleistet sowohl eine radiale als auch eine axiale Befestigung des Planetenträgers 75 an der Befestigungsplatte 73.
An der zur Gelenkplatte 71 gegenüberliegenden Unterseite des Planetenträgers 75 sind mittels dreier Planetenträgerbolzen 78 jeweils ein Planetenrad 76 des Planetengetriebes 50 befestigt. Die Planetenträgerbolzen 78 stellen den Planetenrädern 76 des Planetengetriebes 50 eine axiale und radiale zweite Lagerung 93 zur Verfügung.
Zwischen den in 2 dargestellten Planetenrädern 76 ist das Sonnenrad 82 des Planetengetriebes 50 mittig angeordnet. Das Sonnenrad 82 ist unterseitig mittels der Befestigungselemente 72 an der Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 befestigt.
Die Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 ist radial umfangsseitig durch eine dritte Lagerung 77 radial an der Befestigungsplatte 73 gelagert. Axial wird die Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 mittels des Befestigungsbolzens 84, der an der Unterseite des Planetenträgers 75 des Planetengetriebes 50 angeordnet ist, an dem Planetenträger 75 gelagert.
Zwischen der ersten Lagerung 74 des Planetenträgers 85 des Planetengetriebes und der dritten Lagerung 77 der Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 ist das Hohlrad 92 des Planetengetriebes 50 an der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 angeordnet. Das Hohlrad 92 kann als separate Komponente des Planetengetriebes 50 ausgeführt und an der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 befestigt sein oder einstückig mit der Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 ausgeführt sein.
In montiertem Zustand greift radial außen liegend die Außenverzahnungen 85 der Planetenräder 76 in die Innenverzahnung 91 des Hohlrads 92 ein. Ferner greift die Außenverzahnung 85 der Planetenräder 76 ebenso radial innen liegend in die Außenverzahnung 85 des Sonnenrades 82 ein.
Der Gelenkträger 71 der Befestigungsgruppe 70 ist oberhalb der Befestigungsplatte 73 angeordnet und verbindet mittels der Befestigungselemente 72 das untere Gelenk 41 mit dem unterseitig an dem Gelenkträger 71 angeordneten Planetenträger 75 des Planetengetriebes 50.
Der Planetenträger 75 des Planetengetriebes 50 ist über den Gelenkträger 71 der Befestigungsgruppe 70, das untere Gelenk 41, den torsionssteifen Distanzstab 60 sowie das obere Gelenk 42 mit der Antriebsplattform 20 verbunden, wodurch der Planetenträger 75 des Planetengetriebes 50 drehfest hinsichtlich der Verdrehung um die z₂-Achse ist.
Wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Seilzugantriebe 10 des Roboterantriebs 6 die Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 um die z₂-Achse verdreht, so wird ebenso das mit der Befestigungsplatte 73 verbundene Hohlrad 92 des Planetengetriebes 50 verdreht. Durch die in die Innenverzahnung 91 eingreifenden Planetenräder 76 werden diese in Rotation versetzt, wodurch wiederum das Sonnenrad 82 des Planetengetriebes 50 angetrieben wird. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser des Sonnenrads 82, der Planetenräder 76 und des Hohlrads 92 des Planetengetriebes wird ein Drehwinkel, um den die Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 um die z₂-Achse verdreht wird, mittels des Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes 50 in einen übersetzten Drehwinkel an dem Sonnenrad 82 übersetzt. Das Sonnenrad 82 des Planetengetriebes 50 verdreht die am Sonnenrad 82 angeordnete Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 mit dem Greifer 43 um die z₂-Achse
Wird für das Planetengetriebe 50 vorteilhafterweise ein Übersetzungsverhältnis von kleiner als 1 gewählt, so hat dies zur Folge, dass der Drehwinkel, um den die Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 verdreht wird, entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes 50 vergrößert ist. Dies gewährleistet, dass dem Greifer 43 ein vergrößerter Aktionsradius bzw. eine vergrößerte Drehfreiheit zur Verfügung gestellt werden kann, während hingegen die Massen des Roboterkopfs 40 gleichzeitig gering gehalten werden können. Ferner kann auf eine zusätzliche Verkabelung für einen Antrieb des Greifers 43 des Roboterkopfs 40 zur Verdrehung des Greifers 43 verzichtet werden.
Die in 1 bis 4 gezeigte Ausführungsform des Seilroboters 1 weist einen Drehbereich von etwa 30° in jede Drehrichtung um die z₂-Achse auf. Um dem Greifer 43 des Roboterkopfs 40 einen ausreichenden Drehbereich von etwa 90° in jede Richtung zur Verfügung stellen zu können, weist das Planetengetriebe 50 ein Übersetzungsverhältnis von 1:3 auf, so dass durch ein Verdrehen der Befestigungsplatte 73 um 30° der Greifer 43 um 90° um die z₂-Achse verdreht wird.
In der in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform ist das Übersetzungsgetriebe 50 als Planetengetriebe ausgeführt. Es sind aber alternativ auch andere Ausführungsformen von Übersetzungsgetrieben wie Stirnradgetriebe, Schneckengetriebe oder Reibradgetriebe denkbar.
In dem in der Ausführungsform gezeigten Planetengetriebe 50 wird zur Festlegung des Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes 50 der Planetenträger 75 festgehalten und das Hohlrad 92 als Eingangsseite und das Sonnenrad 82 als Ausgangsseite des Planetengetriebes 50 verwendet. Es ist aber auch alternativ denkbar, den Planetenträger 75 als Eingangsseite mit der Befestigungsgruppe 70 zu verbinden und das Hohlrad 92 ausgangsseitig mit der Aktuatorgruppe 80 zu verbinden, wobei das Sonnenrad 82 des Planetengetriebes 50 hierbei mit dem Distanzstab 60 des Roboteraufbaus 5 drehfest verbunden ist. Selbstverständlich sind auch andere Kombinationen zur Festlegung des Übersetzungsverhältnisses des Planetengetriebes 50 denkbar.
In der Ausführungsform ist an der Arbeitsplatte 81 der Aktuatorgruppe 80 der Greifer 43 angeordnet. Selbstverständlich können anstelle des Greifers 43 verschiedenste andere Akuatoren angeordnet werden, die jeweils mit dem Einsatzzweck korrespondieren. Insbesondere sind anstelle des Greifers 43, Saugvorrichtungen, Tastvorrichtungen oder optische Vorrichtungen denkbar.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines abgewandelten Roboters 2. Der abgewandelte Roboter 2 entspricht im Wesentlichen dem in 1 bis 4 dargestellten Seilroboter 1.
Der abgewandelte Seilroboter 2 weist einen Arbeitsraum 7, in dem der Roboteraufbau 5 angeordnet ist, und einen zum Arbeitsraum 7 abgekapselten Antriebsraum 8 auf. Der Roboteraufbau 5 weist zur Befestigung der Umlenkrollen 12 und des Distanzstabs 60 eine Trägerplatte 19 auf. Dabei sind die Umlenkrollen 12 oberseitig auf der zum Distanzstab 60 gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte 19 angeordnet. Unterseitig ist an der Trägerplatte 19 des Roboteraufbaus 5 der Distanzstab 60 angeordnet. Des Weiteren sind zur Seilführung mehrere weitere Umlenkrollen 14 im Arbeitsraum 7 angeordnet. Ferner weist der abgewandelte Roboter 2 eine Trennwand 23 auf, die den Roboteraufbau 5 von dem Roboterantrieb 6 mit der Antriebsplattform 20 und den Seilzugantrieben 10 räumlich trennt.
Sowohl die Trägerplatte 19 als auch die Trennwand 23 weisen Seilzugdurchführungen 21, 22 auf, um die Seilzüge 31 bis 36 durch die Trägerplatte 19 bzw. die Trennwand 23 zu führen. Dabei sind die zweiten Seilzugdurchführungen 22 an der Trennwand 23 abgedichtet gegenüber dem Arbeitsraum 7 ausgeführt, so dass ein Gas-, Flüssigkeits- und/oder Feststoffaustausch zwischen dem Arbeitsraum 7 und dem Antriebsraum 8 vermieden wird. Dieser Aufbau des abgewandelten Seilroboters 2 eignet sich insbesondere für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie. Dabei ist der Roboterantrieb 6 vor den in der Lebensmittelindustrie üblicherweise eingesetzten aggressiven Reinigungsmitteln geschützt in dem gegenüber dem Arbeitsraum 7 abgeschlossenen Antriebsraum 8 untergebracht, wodurch die Seilzugantriebe 10 unabgedichtet und kostengünstig ausgebildet sein können. Da der Roboteraufbau 5 bis auf den Greifer 43 keine weiteren Antriebe umfasst, kann der Roboteraufbau 5 kostengünstig ausgebildet sein.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass die gezeigten Seilroboter 1, 2 in einer anderen bzw. abgewandelten Ausgestaltung verwirklicht werden können. Insbesondere können beispielsweise die Anordnung des ersten und/oder des zweiten Gelenks 41, 42 innerhalb der ersten und/oder der zweiten Befestigungsfläche 28, 29 je nach Einsatzzweck des Seilroboters 1, 2 frei gewählt werden. Auch ist denkbar, dass das erste und/oder das zweite Gelenk 41, 42 außerhalb der Ebene der ersten und/oder der zweiten Befestigungsfläche 28, 29 angeordnet ist. Ferner ist auch denkbar, wenigstens eines der beiden Gelenke 41, 42 starr auszubilden oder mit nur einem Freiheitsgrad versehen auszugestalten.
Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform mit sechs Seilzugantrieben 10 ist jede beliebige Anzahl und Anordnung von Seilzugantrieben 10 mit Seilzügen 31 bis 36 denkbar. Wesentlich dabei ist, dass die Seilzugantriebe 10 die Befestigungsplatte 73 der Befestigungsgruppe 70 mittels der Seilzüge 31 bis 36 um ihre Flächennormale (z₂-Achse) bzw. um die Längsachse 63 des Distanzstabes 60 verdreht werden kann. Korrespondierend zu der Anzahl der Seilzüge 31 bis 36 können die Seilaufhängepunkte 12, 37 und die daraus gebildeten Befestigungsflächen 28, 29 alternativ zu den in der Ausführungsform vorgeschlagenen Variante jede beliebige Form aufweisen.
Ferner ist auch denkbar, dass ein Seilzugantrieb 10 wenigstens zwei Seilzüge 31 bis 36 gleichzeitig betätigt. Auch ist hierbei denkbar, dass wenigstens ein Seilzug 31 bis 36 derart an der Befestigungsgruppe 70 und an der Antriebsplattform 20 befestigt ist, dass die Länge des genannten Seilzuges 31 bis 36 unveränderlich ist.
Ferner ist denkbar, die in der 1 dargestellten Seilzüge 31 bis 36 der Steuerarme beispielsweise durch Bowdenzüge, Schraubenstangen, druckbetätigte verfahrbare Hydraulik-/Pneumatikzylinder oder andere Linearmotoren zu ersetzen.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass der in der Ausführungsform gezeigte teleskopartige Distanzstab 60 mit einer veränderlichen Länge durch einen abgewandelten Distanzstab, dessen Länge festgelegt ist, ersetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Seilroboter
2: Seilroboter
5: Roboteraufbau
6: Roboterantrieb
7: Arbeitsraum
8: Antriebsraum
10: Seilzugantrieb
11: Seiltrommel
12: Umlenkrolle bzw. zweiter Seilaufhängepunkt
13: Elektromotor
14: weitere Umlenkrolle
15: Befestigungsöffnung
19: Trägerplatte
20: Antriebsplattform
21: Seilzugdurchführung/Öffnung
22: abgedichtete Seildurchführung
23: Trennwand
25: erstes Dreieck
26: zweites Dreieck
27: Schwerpunkt
28: zweite Befestigungsfläche
29: erste Befestigungsfläche
31 bis 36: Seilzug
37: erster Seilaufhängepunkt
40: Roboterkopf
41: unteres Gelenk
42: oberes Gelenk
43: Greifer
50: Planetengetriebe/Übersetzungsgetriebe
60: Distanzstab
61: äußerer Teil des Distanzstabs
62: einfahrbarer Teil des Distanzstabs
63: Längsachse des Distanzstabs
70: Befestigungsgruppe
71: Gelenkträger
72: Befestigungselement
73: Befestigungsplatte
74: erste Lagerung
75: Planetenträger
76: Planetenrad
77: dritte Lagerung
78: Planetenträgerbolzen
79: Lagerung Planetenrad
80: Aktuatorgruppe
81: Arbeitsplatte
82: Sonnenrad
84: Lagerbolzen Sonnenrad
85: Außenverzahnung
91: Innenverzahnung
92: Hohlrad
93: zweite Lagerung

Claims

Roboter (1; 2), aufweisend einen Roboterantrieb (6) und einen Roboteraufbau (5), der einen Distanzstab (60), einen Roboterkopf (40) und wenigstens einen Steuerarm (31–36) umfasst, wobei der Roboterantrieb (6) und der Roboterkopf (40) über den Distanzstab (60) und den Steuerarm (31–36) miteinander verbunden sind, wobei der Roboterantrieb (6) ausgelegt ist, den Roboterkopf (40) mittels des Distanzstabs (60) und des Steuerarms (31–36) zu drehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboterkopf (40) eine Befestigungsgruppe (70) und eine Aktuatorgruppe (80) umfasst, wobei die Befestigungsgruppe (70) mit dem Steuerarm (31–36) und dem Distanzstab (60) verbunden ist, wobei die Befestigungsgruppe (70) mit der Aktuatorgruppe (80) mittels eines Übersetzungsgetriebes (50) gekoppelt ist, wobei das Übersetzungsgetriebe (50) ausgelegt ist, ein Verdrehen der Befestigungsgruppe (70) in eine Verdrehung der Aktuatorgruppe (80) gemäß eines vorbestimmten Übersetzungsverhältnisses umzusetzen.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzstab (60) mit einer Antriebsplattform (20) des Roboterantriebs (6) und mit dem Roboterkopf (40) des Roboteraufbaus (5) über ein Gelenk (41, 42) torsionssteif gegenüber einer Verdrehung um eine Längsachse (63) des Distanzstabs (60) ausgelegt ist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das torsionssteife Gelenk (41, 42) als homokinetisches Gelenk oder Kardangelenk ausgebildet ist.
Roboter (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (50) als Planetengetriebe (50) ausgebildet ist, wobei das Sonnenrad (82) des Planetengetriebes (50) mit der Akuatorgruppe (80) verbunden ist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlrad (92) des Planetengetriebes (50) mit der Befestigungsgruppe (70) und wenigstens ein Planetenrad (76) des Planetengetriebes (50) mit dem Distanzstab (60) verbunden ist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsgruppe (70) einen Planententräger (75) umfasst, wobei der Planetenträger (75) drehbar an einer Befestigungsplatte (73) der Befestigungsgruppe (70) gelagert ist, wobei die Befestigungsplatte (73) mit dem Steuerarm (31–36) verbunden ist, und wobei der Planetenträger (75) mit dem Distanzstab (60) verbunden ist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (82) des Planetengetriebes (50) mittels einem an dem Planetenträger (75) befestigten Befestigungsbolzen (84) axial gelagert ist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsplatte (73) das Hohlrad (92) des Planetengetriebes (50) radial umfasst, wobei die Befestigungsplatte (73) eine erste radiale Lagerung (74) für den Planetenträger (75) und eine zweite radiale Lagerung (77) für die Aktuatorgruppe (80) bereitstellt und wobei das Hohlrad (92) zwischen der ersten Lagerung (74) und der zweiten Lagerung (77) angeordnet ist.
Roboter (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (1; 2) sechs Steuerarme (31–36) umfasst, die jeweils mit einem Steuerarmantrieb (10) des Roboterantriebs (6) verbunden sind, wobei jeweils zwei Steuerarme (31–36) gemeinsam an einem Befestigungspunkt (37) an der Befestigungsgruppe (70) angeordnet sind.
Roboter (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerarm (31–36) einen Seilzug (31–36) umfasst, und wobei der Roboterantrieb (6) für jeden Seilzug (31–36) einen Seilzugantrieb (10) aufweist.
Roboter (1; 2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Seilzug (31–36) mittels einer Umlenkrolle (12) geführt ist, wobei die Umlenkrolle (12) am Roboterantrieb (6) angeordnet ist und eine Zugkraft des Seilzugs (31–36) zumindest teilweise abstützt.
Roboter (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (1; 2) eine Trennwand (23) umfasst, die zwischen dem Roboterantrieb (6) und dem Roboteraufbau (5) angeordnet ist, wobei die Trennwand (23) den Roboterantrieb (6) räumlich von dem Roboteraufbau (5) trennt, und wobei die Trennwand (23) wenigstens eine abgedichtete Steuerarmführung (22) aufweist.