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Die Erfindung betrifft einen sicheren Roboter in Übereinstimmung mit dem einleitenden Teil des Anspruches 1.
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Roboter bewegen sich in Abhängigkeit von ihrer Programmierung und gegebenenfalls beim Anfahren beweglicher Ziele in Abhängigkeit von ihrer relativen Position gegenüber diesen Zielen. Die Werkzeuge, die diese Roboter üblicherweise an den freien Enden ihrer Arme aufweisen, sind sehr vielfältig und oftmals für ihren Bereich kommende Menschen gefährlich. Auch wenn die Werkzeuge selbst nicht gefährlich sind, erfolgt die Bewegung, speziell der Roboterarme, mit großer Geschwindigkeit und durch die große Masse der Roboterarme ist jeder Kontakt mit ihnen prinzipiell gefährlich für Menschen. Dies führt dazu, dass bei zahlreichen Anwendungsgebieten zwischen dem Arbeitsplatz von Menschen und dem eines Roboters Sicherheitsabstände eingehalten werden müssen, was mit verschiedenen Nachteilen wegen des Platzbedarfs und der verlängerten Wege der Werkstücke verbunden und insbesondere kostspielig ist.
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Andere Versuche, dieses Problem in den Griff zu bekommen beruhen darauf, Sensoren, entweder am Roboterarm selbst, oder im Bereich des Roboters anzubringen, die die Anwesenheit von Menschen oder auch von Gegenständen im Bewegungsgebiet detektieren und die Bewegung des Roboters anhalten oder auch nach dem Anhalten eine Zurückfahren bewirken. Da es sich hier um Sicherheitsmaßnahmen handelt, ist es notwendig die Sensoren redundant vorzusehen, die Auswertung der Messwerte der Sensoren mit hoher Geschwindigkeit vorzunehmen und hat dabei doch immer das Problem, dass durch die großen Massen und der hohen Geschwindigkeiten der Roboterarme Unfälle erfolgen.
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Weitere Ausgestaltungen haben dazu geführt, dass zumindest verschiedene Teile der Roboteroberfläche weich und nachgiebig ausgestattet werden, wodurch zwar das seitliche Aufprallen weiter entschärft werden kann, der Bereich des Werkzeuges in dem es nicht möglich ist nachgiebige Materialen zu verwenden, aber weiterhin problematisch bleibt. Ein anderes Prinzip zur Vermeidung von Verletzungen überwacht die im Roboter auftretenden Kräfte entlang bzw. Momente um die einzelnen Achsen.
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Aufgrund der vorbekannten Arbeitsabfolge ist bekannt, zu welchem Zeitpunkt bzw. in welcher Konfiguration des Roboters welche Kräfte/Momente zu erwarten sind und es ist möglich, beim Überschreiten dieser Kräfte den Roboter anzuhalten. Das bedeutet, dass es bei dieser Strategie in Kauf genommen wird, eine unerwartet im Arbeitsbereich befindliche Person zu kontaktieren, dass aber durch die Überwachung der momentan real auftretenden Kräfte Sorge dafür getroffen wird, dass die Kontaktkräfte nicht zu (schweren) Verletzungen führen.
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Eine weitere Möglichkeit, die verschiedentlich verwendet wird, beschäftigt sich mit dem besonders heiklen Bereich rund um das Werkzeug und hier insbesondere um den Flansch; auf dem das Werkzeug am Ende des Roboterarmes sitzt. Es sind Kollisionsschutzelemente zum Einbau zwischen Roboterarm und Werkzeug bekannt, die im normalen Betrieb als starre (im technischen Sinn) Einheit wirken, beim Auftreten einer Überlastung aber ein Auslenken erlauben. Dieses Auslenken wird auch an die Steuereinheit weitergegeben, als Kollision erkannt und führt zur Stillsetzung oder Umkehr der Bewegung. Es wird somit der Aufprall durch die Nachgiebigkeit verringert, gleichzeitig dadurch erkannt und die Bewegung und damit (schwere) Verletzungen vermieden. Diese Kollisionsschutzelemente werden pneumatisch in Position gehalten, sodass durch die Einstellung des jeweils anliegenden Drucks auch eine Berücksichtigung der zu erwartenden Kraft auf die Höhe der Auslenkungskraft vorgenommen werden kann. Durch entsprechende Justierelemente kann nach Beseitigung der Kollision und des Problems die notwendige Arbeitslage wieder hergestellt werden und die Arbeit wieder aufgenommen werden.
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Bei einem Kleinroboter, der im direkten Kontakt zum Menschen arbeiten soll, ist es bekannt, diese genannten Strategien gemeinsam einzusetzen und dabei noch verschiedene zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, wie die Beschränkung der maximal auftretenden Geschwindigkeiten, die Einschränkung der zugänglichen Arbeitsräume etc. vorzunehmen. Auch sind kapazitive Näherungssensoren vorgesehen, deren Auslösewerte ebenfalls in Abhängigkeit von der jeweiligen Konfiguration des Roboters während eines Arbeitszyklus an die jeweilige Situation angepasst werden können.
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Prinzipiell gesagt, sind die folgenden Merkmale diejenigen, die Roboter für Menschen gefährlich machen:
Erstens, die kinetische Energie der bewegten Bauteile und
Zweitens, die aus dem Motorantriebsmomenten herrührende Energie.
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Als Strategie zur Verringerung des Gefahrenpotentials ergibt sich somit: möglichste Herabsetzung der Masse, möglichste Herabsetzung der Geschwindigkeit, möglichste Herabsetzung des Motormoments, möglichste Anpassung eventueller Kontaktzonen nach Form und Nachgiebigkeit der Oberfläche.
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Wie leicht zu erkennen ist, stehen diese Möglichkeiten einem ernsthaften Einsatz von Robotern diametral gegenüber und machen es notwendig, nach anderen Strategien zu suchen. Dabei kann auf verschiedene Untersuchungen und Gefährdungsbeurteilungen zurückgegriffen werden, in denen festgestellt wird, was zu Verletzungen von Menschen führt. Es handelt sich im Wesentlichen um Klemmkräfte, Quetschkräfte bzw. Stoßkräfte, jeweils mit der Dimension N; weiters um Druck- bzw. Flächenpressung mit der Dimension N/m2 oder der Kompressionskonstante mit der Dimension N/m. Für alle diese Größen gibt es, in Abhängigkeit vorn jeweils betrachteten Körperorgan des Menschen, verschiedene Bereiche die als zulässig, und solche die als verboten gewertet werden und die einzuhalten sind, wenn Maschinen allgemeiner Art und nicht nur Roboter im normalen Arbeitsvorgang mit Menschen nahe zusammenarbeiten.
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Wenn man in Anbetracht der im Stand der Technik zur Verfügung stehenden zulässigen Werte die Wirkungsweise der oben genannten Sicherheitsverbindungselemente betrachtet, so stellt man fest, dass es Situationen gibt, bei denen diese Verbindungselemente nicht bei ausreichend geringen Kräften auslösen, da das eigentliche Auslösen stets durch Überwinden eines voreingestellten Momentes erfolgt und bei entsprechend kleinem Hebelsarm der auf den Mensch wirkenden Kraft, die ja die Gegenkraft zur Auslösekraft ist, diese vor dem Ausschwenken der Vorrichtung auf Werte ansteigen muss, die mit einer Verletzung des Menschen einhergehen.
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Die Erfindung hat das Ziel, eine verbesserte Verbindungsvorrichtung zwischen dem Roboterarm und dem Werkzeugträger zu schaffen. Dabei sieht das generische Konzept vor, die Schwenkbewegung des Werkzeugträgers um eine Achse oder einen sphärischen Festpunkt durch eine Linearbewegung zu ersetzen, die entlang der Richtung der Kontaktkraft und vorn Kontaktpunkt weg erfolgt. Durch diese Grundidee vermeidet man die inhärenten Probleme der Schwenkbewegung und erreicht gleichzeitig, dass die Reaktion der Sicherheitsvorrichtung die Kontaktkraft bestmöglich verringert, da die Bewegung des Werkzeugträgers vom Kontaktpunkt weg erfolgt, unabhängig davon wo dieser am Werkzeugträger liegt. Es ist somit im engeren Sinn die technische Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, die die oben genannten Bedingungen erfüllt und in einer Ausgestaltung in Abhängigkeit von der jeweiligen Position und Konfiguration des Roboters auf unterschiedliche Auslösewerte eingestellt werden kann.
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Erfindungsgemäß werden diese Ziele durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen erreicht. Mit anderen Worten, die Verbindungsvorrichtung zwischen Roboter und Werkzeugträger ist eine bevorzugt parallelkinematisch geführte Schwimmplatte, entweder eine 3-2-1 Kinematik oder eine sogenannte Delta-Kinematik. Dabei ist zwischen einer werkzeugseitigen Platte und einer roboterseitigen Platte neben der Kinematik für die Führung eine Mechanik vorgesehen, die auf eine mit der roboterseitigen Platte drehbar verbundene Kontaktplatte wirkt. Diese Kontaktplatte wird, beispielsweise durch einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, in ihrer Lage gehalten. Wenn die Summe der Kräfte, die über die Mechanik auf die Kontaktplatte wirkt, größer wird, als die Haltekraft, kippt die Kontaktplatte weg und die werkzeugseitige Platte bewegt sich unter der Wirkung der Kontaktkraft und geführt von der Parallelkinematik linear vom Kontaktpunkt weg. Das Wegkippen der Kontaktplatte wird von der Steuerung des Roboters als Störfall (Kontakt mit unbekanntem Objekt, gegebenenfalls einem Menschen) erkannt und es wird ein Anhalten und gegebenenfalls Umkehren der Bewegung des Arms eingeleitet.
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Das Wegkippen der Kontaktplatte ist nicht mit dem Verschwenken des Werkzeughalters zu verwechseln, da durch das Wegkippen der Kontaktplatte die Verbindung zwischen der roboterseitigen Platte und der werkzeugseitigen Platte frei von Haltekräften wird.
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Im Folgenden wird zumeist von einem Roboterarm gesprochen, doch ist es nicht notwendig, dass die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung auf einem „klassischen” Roboterarm angebracht ist, es soll nur damit ausgedrückt werden, dass die Anbringung am freien Ende des Roboters, vor dem Werkzeugträger, erfolgt.
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Bei Fixierung der Kontaktplatte mittels eines Elektromagneten ist es möglich, die Auslösekraft variabel auszubilden. Im kontaktgefährdeten Arbeitsbereich (der Teil des Arbeitsraums, in dem eine Kollision zu besorgen ist) ist in Anbetracht der sicherheitstechnisch vorgegebenen maximal erlaubten Kollisionskräfte meist nur eine Einstellung für die Haltekraft der Kontaktplatte notwendig. Im sicheren Arbeitsbereich des Roboters ist es möglich, die Fixierung der Kontaktplatte beispielsweise mechanisch durchzuführen.
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Es sind auch mechanische Haltevorrichtungen für die Kontaktplatte möglich, beispielsweise nach der Art, wie sie in Drehmomentschlüsseln verwendet werden, sodass beim Überschreiten der Haltekraft die Kontaktplatte freikommt.
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In Kenntnis der Erfindung und der von ihm gewählten Führungskinematik, die die beiden Platten miteinander verbindet, ist dem Fachmann die Berechnung und Ausgestaltung der die Kraft übertragenden Mechanik leicht möglich.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen die 1 eine erfindungsgemäß verwendbare Delta-Kinematik in drei Ansichten, die 2 ein zentrales Auslöseelement im Schnitt, die 3 das zentrale Auslöseelemente in die Delta-Kinematik eingebaut, die 4 eine Ansicht ähnlich der der 3, teilweise im Schnitt in Ruhelage, die 5 eine Ansicht entsprechend der der 3 in ausgelenkter Lage bei schräger Beanspruchung, die 6 die Auslenkung bei zentraler Beanspruchung, die 7 die Vorrichtung der letzten Figuren mit veränderter Auslösekraft, die 8, 9, 10 eine Variante, bei der die Auslösung über Zugelemente erfolgt.
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Die 1 zeigt eine Verbindungsvorrichtung 1, wie sie zwischen dem Ende des Roboterarms und dem Werkzeugträger vorgesehen sein kann, zum besseren Verständnis in drei Ansichten und ohne die erfindungsgemäßen Halteelemente, auf die weiter unten eingegangen wird. Die Verbindungsvorrichtung 1 entspricht im Wesentlichen einer aus dem Stand der Technik bekannten Schwimmplatte. Darunter versteht man eine Platte, die in ihrer Ebene in x- und y-Richtung verfahren werden kann, aber nicht drehbar ist. Die erfindungsgemäß verwendbaren Schwimmplatten sind darüber hinaus auch in z-Richtung bei Zugrundelegung eines orthogonalen Koordinatensystems beweglich, sie sind aber bezüglich jeder der drei Achsen drehfest und damit nur in x-, y- und z-Richtung translatorisch verschieblich.
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In der 1 und den folgenden Darstellungen wird davon ausgegangen, dass die unten dargestellte Plattform auf der Seite des Roboters bzw. Roboterarms montiert ist und im Folgenden daher mit Roboterplattform 2 bezeichnet wird; darüber hinaus wird diese Roboterplattform innerhalb der Verbindungsvorrichtung 1 als feste Plattform angesehen. Die ihr gegenüberstehende Plattform wird, auch wenn sie nicht direkt das Werkzeug trägt, in der vorliegenden Anmeldung als Werkzeugplattform 3 bezeichnet, und sie wird als die bewegliche Plattform bezüglich der Roboterplattform 2 angesehen. Dies dient lediglich der leichteren Lesbarkeit und schränkt die sich ergebenden Möglichkeiten der Verwendung bzw. des Einbaus nicht ein.
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In der 1 sind die beiden Plattformen durch eine abgewandelte Delta-Kinematik miteinander verbunden, dabei sind die Freiheitsgrade der drei Verbindungselemente 4 so beschränkt, dass die oben erläuterte Beweglichkeit der Werkzeugplattform 3 bezüglich der Roboterplattform 2 zu Stande kommt.
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Es ist speziell darauf hinzuweisen, dass es nicht notwendig ist, eine von der Delta-Kinematik abgeleitete Kinematik zu verwenden, wie bereits erwähnt ist es auch möglich, eine sogenannte 3-2-1-Kinematik zu verwenden und es ist auch möglich, serielle Kinematiken einzubauen. Wesentlich ist nur das Erreichen der dargelegten Verschieblichkeit, das Schwimmen, ohne Möglichkeit einer Rotation.
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Das Aufrechterhalten der Lage der beiden Plattformen zueinander wird durch eine Haltevorrichtung 4 bewirkt. Diese ist so aufgebaut, dass beim Auftreten von Kräften wie Trägheitskräfte, Arbeitskräfte, etc., die in Summe unter einer vorbestimmten Auslösekraft liegen, die Lage der beiden Plattformen zueinander als starr (im technischen Sinn) anzusehen ist.
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Werte eine auf die Werkzeugplattform 3 wirkende Kollisionskraft, unabhängig von ihrer Richtung, die vorgegebene Sicherheitsschranke der Größe nach überschreitet, gibt die Haltevorrichtung 4 die feste Verbindung der Werkzeugplattform gegenüber der Roboterplattform frei (wodurch diese im geometrischen Rahmen der Führungskinematik kraftlos beweglich wird), wodurch sie sich unter der Wirkung der Kollisionskraft vom Kollisionspunkt wegbewegt und so Verletzungen von Personen oder auch Beschädigung von Gegenständen vermeidet.
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Eine solche Haltevorrichtung 4 ist in 8 und 9 in einer ersten Ausführungsform näher dargestellt. Die Haltevorrichtung 5 weist für jede der drei Richtungen X-, Y- und Z- eines orthogonalen Koordinatensystems eine eigene Kraftübertragungsvorrichtung auf, die auf eine Klappe wirkt, die durch einen Magneten in ihrer Lage gehalten wird. Wenn die Summe der Kräfte größer wird als die vorgegebene Haltekraft des Magneten, so klappt die Klappe weg und die Werkzeugplattform 3 bewegt sich unter der Kollisionskraft vom Kollisionspunkt weg in Richtung der Kraft. Dass gleichzeitig Alarm ausgelöst, die Bewegung des Roboters gestoppt etc. wird, bildet nicht den Kern der Erfindung, sonder entspricht dem Vorgehen entsprechend dem Stand der Technik. Bedeutsam ist aber, dass die Kräfte in X-, Y- und Z-Richtung so addiert werden, dass die Auslösekraft der Vorrichtung unabhängig von der Wirkrichtung der Kollisionskraft ist.
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Der Magnet kann ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein, auch andere Haltevorrichtungen sind möglich, wesentlich ist, dass beim Auslösen die Haltekraft wegfällt, was dem Magneten zufolge seiner auf den Nahebereich beschränkten Wirkung inhärent ist. Das kann auch durch eine Art von Schnappmechanismus sichergestellt werden, bei dem nach dem Überschreiten einer vorgegebenen elastischen Verformung zwei Teile außer Eingriff kommen, beispielsweise nach Art der Mechanik eines Drehmomentschlüssels, und viele solche Mechanismen mehr.
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Um dies näher zu erläutern, werden nun die Kraftübertragungen in den einzelnen Richtungen näher dargestellt. In 9 sind drei Übertragungshebel 6x, 6y, 6z, in ihrer Gesamtheit mit 6 bezeichnet, jeweils in Richtung der Koordinatenachse, in der sie Kräfte übertragen sollen, angeordnet. Durch die perspektivische Darstellung scheint die Orientierung des Übertragungshebels 6y parallel zum Übertragungshebel 6z, doch liegt er, wie die X- und die Y-Richtung in einer Ebene parallel zur Ebene der Roboterplattform 2, während die Z-Richtung normal dazu (rechtwinkelig) verläuft.
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Diese Übertragungshebel 6 sind fest an der nicht dargestellten Werkzeugplattform 3 befestigt und machen sämtliche Bewegungen mit dieser Plattform mit, bzw. übertragen sie die auf diese Werkzeugplattform wirkende Kräfte über folgenden Mechanismus weiter. Der Übertragungshebel 6x ist mittels eines (im Bild verdeckten) Übertragungsstummels mit einer Drehwaage 7x drehfest verbunden, die um eine Vertikalachse auf der Roboterplattform 2 drehbar angeordnet ist. Die Drehwaage 7x weist zwei Arme auf, deren Enden mittels Zugmitteln 8 mit einer Halteklappe 9 verbunden sind. Diese Halteklappe kann in Richtung der Verbindungsvorrichtung 1, somit nach Innen, um eine Klappachse 10 wegklappen, wird aber von einem Magneten 11 kraftschlüssig in der in 9 gezeigten Position gehalten.
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Kräfte in x-Richtung, die vom Übertragungshebel 6x über den nicht sichtbaren Übertragungsstummel auf die Drehwaage 7x übertragen werden, führen dazu, diese um die Hochachse mit einem Drehmoment zu belasten. Je nach Richtung des Drehmoments wird eines der Zugmittel 8x gespannt und das andere, weil es ja keine Schubkräfte aufnehmen kann, wird schlaff, auf die Halteklappe 9 wirkt somit die x-Komponente der auf die Werkzeugplattform 3 wirkenden Kräfte.
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Analog dazu ist die Kraftübertragung in y-Richtung, hier wirkt vom freien Ende des Übertragungshebels 6y und den Übertragungsstummel die Y-Komponente der Kollisionskraft auf eine Drehwaage 7y, die um die gleiche Hochachse wie die Drehwaage 7x verdrehbar ist, und auch hier führen Zugmittel 8y zur Halteklappe 9, mit gleichem Drehmoment um die Hochachse, sodass gleich große Komponenten der Kollisionskraft auf der Werkzeugplattform 3 zu gleichen Zugkräften auf der Halteklappe 9 führen.
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Die Übertragung der Z-Komponente einer Kollisionskraft erfolgt etwas anders, als die Übertragung der X- und Y-Komponenten; hier wirken zwei Übertragungshebel 6z mittels Übertragungsstummel auf eine geteilte Drehwaage 7z, die um eine gemeinsame horizontale Achse 11, die parallel zur Klappachse 10 verläuft, drehbar gelagert ist. In 9 bewirkt eine Belastung der Werkzeugplattform nach unten, zur Roboterplattform 2 hin, dass der auf der linken Seite der Darstellung befindliche Übertragungshebel 6z die ihm zugeordnete Drehwaage 7z so belastet, dass das zugehörige Zugmittel 8z gespannt wird, während eine solche Belastung den im Hintergrund der Darstellung erkennbaren Übertragungshebel 6z so belastet, dass er die ihm zugeordnete Drehwaage 7z in der Richtung zu drehen versucht, dass das zugeordnete Zugmittel 8z, das durch eine Öffnung im Übertragungshebel 6z geführt wird, entlastet bzw. schlaff wird. Es ist uU möglich, auf die Übertragung von Zugkräften in Z-Richtung zu verzichten, da diese bei einer Kollision kaum auftreten können.
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Durch entsprechende Wahl der Hebellängen wird auch hier sichergestellt, dass eine Kraftkomponente in Z-Richtung, die gleich groß ist wie eine Kraftkomponente in X- oder Y-Richtung, die gleiche Kraft auf die Halteklappe 9 ausübt wie die anderen Komponenten.
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Man erhält somit eine Vorrichtung, bei der die Kräfte zwischen der Werkzeugplattform und der Roboterplattform 2 ausschließlich über die geschilderte Haltevorrichtung 5 übertragen werden, diese Vorrichtung ist, solange die Auslösekraft nicht erreicht ist, im technischen Sinne steif, das heißt, dass die Führung der Werkzeugplattform so erfolgt, als wäre sie fest mit der Roboterplattform verbunden. Wenn die Summe der drei übertragenen Kraftkomponenten einer Kollisionskraft die Haltekraft übersteigt, fällt die Halteklappe 9 vorn Magneten 11, sämtliche Zugmittel 8 werden schlaff und die Werkzeugplattform wird, im Rahmen der Führung durch die jeweils vorgesehene Kinematik, unter der Wirkung der Kollisionskraft, die das Auslösen bewirkt hat, vom Kollisionspunkt weggedrängt.
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Der dargestellte Mechanismus kann durch andere Mechanismen ersetzt werden, so zum Beispiel durch den in 2 bis 7 dargestellten Mechanismus. Dieser hat gegenüber dem soeben erläuterten den Vorteil, kompakter als dieser zu sein und durch seinen geschlossenen Aufbau auch für alle Arten von Verschmutzung und Beschädigung weniger anfällig zu sein. Diese Haltevorrichtung 13 ist in 2 näher dargestellt. Sie besteht aus einem sphärischen Kopf 14, der auf einem Kipphebel 15 ausgebildet ist und dazu bestimmt ist ist (4) sphärisch beweglich in der Werkzeugplattform 3 gelagert zu werden. Der Kipphebel 15 ruht mit seiner Unterseite auf einem Kolben 16, der verschieblich in einer Büchse 17 angeordnet ist, die mit der Roboterplattform 2 verschieblich verbunden ist. Der Kolben 16 wiederum ist fest mit eine Magneten 18 verbunden, der ihn gegenüber der Büchse 17 und damit der Roboterplattform 2 fest hält. Diese Verschieblichkeit ist notwendig, um in Z-Richtung sowohl auf Druck, als auch auf Zug auslösen zu können.
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Zur Fixierung des Zusammenhaltes des Mechanismus im Falle des Auslösens ist ein Stift 19 vorgesehen, der in fluchtenden Öffnungen der Büchse 17 sitzt und mittels axialer Schlitze im Kolben 16 dessen Bewegung im vorgesehenen Ausmaß erlaubt.
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Eine Besonderheit bildet die geometrische Ausgestaltung des Kipphebels 15: seine Mantelfläche 20 ist ballig ausgebildet, sodass er im Inneren der Büchse 17, in der er oberhalb des Kolbens 16 angeordnet ist, spielfrei verkippt werden kann. Weiters ist seine Standfläche, mit der er am Kolben 16 aufliegt, mit einer zentralen Vertiefung 21 (5) ausgebildet und seine Oberfläche, die zum Deckel der Büchse 17 hin gerichtet ist und durch die der Hals ragt, an dessen oberen Ende der Kopf 14 sitzt, ist ebenfalls mit einer kreisförmigen Vertiefung 22 versehen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun folgende: Solange der Magnet 18 an der Büchse 17 bzw. einem anderen mit der Roboterplattform 2 fest verbundenen Bauteil anhaftet, drückt der Kolben 16 den Kipphebel 15 in die in 2 bzw. 3 oder 7 dargestellte Lage und die Werkzeugplattform 3 ist bezüglich der Roboterplattform 2 als starrer Bauteil anzusehen. Wenn Kräfte in Z-Richtung auf den Kopf 14 wirken, die so groß sind, dass sie die Haltekraft des Magneten 18 übersteigen (6), so drückt der Kipphebel den Kolben 16 und damit den Magneten 18 in Z-Richtung nach unten, der Kontakt zwischen Magnet 18 und entsprechendem Bauteil der Roboterplattform 2 geht verloren und die Werkzeugplattform 3 kommt frei und gelangt unter der Wirkung der Kollisionskraft, die ja das Auslösen bewirkt hat, vom Kollisionspunkt weg.
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Hier kommt nun der Stift 19 ins Spiel, dieser verhindert, dass die Vorrichtung nach dem Ende des magnetischen Anhaftens zerfällt, und begrenzt auch den Verschiebeweg der Werkzeugplattform 3 in Z-Richtung.
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Wenn nun durch eine Kollision Kräfte in X- oder Y-Richtung wirken (egal, ob auch Kräfte in Z-Richtung wirken), so erfolgt das Auslösen wie in 5 dargestellt: Durch die Verschiebung des Kopfes 14 kippt der Kipphebel 15 um die sich ausbildende bzw. automatisch ergebende (horizontale) Kippachse und drückt dabei auf den Kolben 16 wiederum in Auslöserichtung, zusammenfallend mit der Z-Richtung. Wenn dabei die auftretende Kraft größer wird als die Auslösekraft, wie in 5 dargestellt, so kommt es wieder zum Abfall des Magneten und zur Freigabe der Werkzeugplattform 3. Eine eventuell wirkende Z-Komponente der Kollisionskraft addiert sich automatisch zu der durch den Kipphebel induzierten Kraft.
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Durch passende Wahl des Abstandes zwischen den Kopfmittelpunkt und der Höhe des Fußes des Kipphebels erreicht man es, dass Kraftkomponenten in X-, Y- und Z-Richtung gleichermaßen zu einer Resultierenden Auslösekraft in Z-Richtung bzw. Auslöserichtung auf den Kolben 16 wirken.
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Es soll noch kurz darauf hingewiesen werden, warum die kinematische Verbindung zwischen Roboterplattform 2 und Werkzeugplattform 3 diese beiden Elemente ohne Verdrehmöglichkeit zueinander führen soll: Bei der Freigabe der Drehbewegung käme es durch eine Kollision zum Aufbau von Momenten und Auswirkungen auf die Haltevorrichtung, die vom Ort des Kollisionspunktes, nämlich dessen Hebelsarm um die jeweilige momentane Drehachse, abhängen. Da die Festsstellung des Kollisionspunktes keinesfalls vorhersehbar oder ausreichend schnell erfassbar ist, werden diese Probleme durch die entsprechende Führung der beiden Platten zueinander ausgeklammert, ohne dass dadurch die Brauchbarkeit der Verbindungsvorrichtung in arbeitsmäßiger Hinsicht oder die Sicherheit beeinträchtigt wären. Selbst wenn die Feststellung des Kollisionspunktes rasch genug bestimmbar wäre, würde dies Berechnungen und Verstellungen der Sicherheitsvorrichtung notwendig machen, die der intrinsischen Sicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung krass widersprächen.
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Im Folgenden soll die Erfindung noch kurz rekapituliert werden, wobei, schon zur Erleichterung späterer Übersetzungen, zT synonyme Bezeichnungen für die in der Beschreibung vorkommenden, verwendet werden:
Sicherheitsvorrichtung für einen Roboter, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen dem Roboter bzw. seinem Arm, und dem Werkzeugträger angeordnet ist, aufweisend eine Roboterplattform 2, die mit dem Roboter, insbesondere seinem Arm, verbunden ist und eine Werkzeugträgerplattform 3, die mit dem Werkzeugträger verbunden ist, mit einer Führungsvorrichtung 4 zwischen den beiden Plattformen, durch die sie zueinander entlang dreier Achsen verschieblich, aber nicht rotierbar geführt sind, und mit einer zwischen den beiden Plattformen vorgesehenen Kraftübermittlungsvorrichtung 5, die die Kräfte, die auf die Werkzeugträgerplattform in Richtung der drei Achsen wirken, getrennt voneinander und in gleicher Richtung, der Auslöserichtung, auf eine gemeinsame Auslösevorrichtung 9 leiten, auf die in der der Auslöserichtung entgegengesetzten Richtung, der Halterichtung, eine vorgegebene Haltekraft wirkt.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auslösevorrichtung 9 beim Überschreiten der Kräfte in Auslöserichtung über die Haltekraft die Kraftübermittlungsvorrichtung 5 frei gibt und so auf die Werkzeugträgerplattform 3 keine Kräfte vom Roboter her wirken.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Führungsvorrichtung 4 eine Parallelkinematik, beispielsweise eine Delta-Kinematik oder eine 3-2-1-Kinematik ist.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Kraftübermittlungsvorrichtung 5 in zumindest einer der Achsenrichtungen einen Übertragungshebel 6 aufweist, der mit einem Ende auf der Werkzeugträgerplattform 3 gelagert ist und auf eine Drehwaage 7 wirkt, und dass von der Drehwaage 7 zwei Zugübertragungsmittel 8 oder zwei Druckübertragungsmittel zur Auslösevorrichtung 9 führen. Dabei ist es insbesondere bei Druckübertragungsmitteln essentiell, dass tatsächlich weder Biegemomente noch Torsionsmomente übertragen werden.
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In einer Variante ist vorgesehen, dass die Kraftübermittlungsvorrichtung 5 einen Kipphebel 15 aufweist, der mit seinem Kopf 14 sphärisch beweglich in der Werkzeugträgerplattform 3 gelagert ist und beim Verschwenken mit seinem Fuß einen Kolben 16 gegen die Auslösevorrichtung drückt.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Auslösevorrichtung 9 einen Magneten, insbesondere Elektromagneten, aufweist, der die Haltekraft liefert.
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In einer Variante ist vorgesehen, dass die Auslösevorrichtung 9 mechanisch, nach Art eines Drehmomentschlüssels, aufgebaut ist.
