DE102012008744A1

DE102012008744A1 - Positionierende Maschine

Info

Publication number: DE102012008744A1
Application number: DE201210008744
Authority: DE
Inventors: Annika Raatz; Daniel Schütz
Original assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2013-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine positionierende Maschine (10) mit (a) einem Endeffektor (12), (b) einer ersten Verfahreinheit (18.1), die in einer Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, (c) einer zweiten Verfahreinheit (18.2), die in der Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, und (d) zumindest einer dritten Verfahreinheit (18.3), die in der Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, (e) wobei die Verfahreinheiten (18) so mechanisch mit dem Endeffektor (12) gekoppelt sind, dass der Endeffektor (12) in zumindest vier Freiheitsgraden mittels Bewegens der Verfahreinheiten (18) positionierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine positionierende Maschine. Bei derartigen positionierenden Maschinen handelt es sich beispielsweise um einen Roboter, insbesondere einen Handhabungsroboter. Handhabungsroboter werden dazu eingesetzt, um Objekte an einem ersten Ort aufzunehmen, an einen zweiten Ort zu bewegen und dort zu positionieren. Eine besondere Schwierigkeit stellt sich dann, wenn insbesondere größere oder sperrige Objekte über eine längere Wegstrecke transportiert werden sollen.
Bekannt sind Arbeitsplattformen, die in der Ebene positionierbar sind. Es ist möglich, auf eine derartige Plattform einen Roboter zu installieren, so dass der zu transportierende Gegenstand mit dem Roboter gegriffen, danach mittels der Plattform verfahren und anschließend mit dem Roboter abgesetzt werden kann. Nachteilig an einem derartigen Konzept ist, dass beim Aufnehmen der Last Kippmomente entstehen, die von der mobilen Plattform abgefangen werden müssen. Derartige Systeme müssen daher sehr groß gebaut werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine positionierende Maschine, insbesondere einen Handhabungsroboter, anzugeben, mittels dem auch sperrige Objekte über große Strecken leicht transportiert und dennoch mit relativ hoher Genauigkeit positioniert werden können.
Die Erfindung löst das Problem durch eine positionierende Maschine mit (a) einem Endeffektor, (b) der ersten Verfahreinheit, die in einer Ebene automatisch verfahrbar ist, (c) einer zweiten Verfahreinheit, die in der Ebene automatisch verfahrbar ist, und (d) zumindest einer dritten Verfahreinheit, die in der Ebene automatisch verfahrbar ist, wobei (e) die Verfahreinheiten so mechanisch mit dem Endeffektor gekoppelt sind, dass der Endeffektor in zumindest vier Freiheitsgraden durch Bewegen der Verfahreinheiten positionierbar ist.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die einzelnen Verfahreinheiten klein und wendig ausgebildet werden können. Durch Verfahren der Verfahreinheiten kann dann der Endeffektor einfach im Raum orientiert werden.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass das System rekonfigurierbar ist. Soll beispielsweise ein besonders großes Objekt bewegt werden, so können die Übertragungselemente, mittels derer der Endeffektor befestigt ist, verlängert und der Abstand der Verfahreinheiten vergrößert werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass trotz der hohen Flexibilität eine hohe Positioniergenauigkeit erreichbar ist, wenn die positionierende Maschine mit einem Navigationssystem, insbesondere einem lokalen Navigationssystem, ausgestattet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Positioniermaschine insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, um einen Endeffektor im Raum zu positionieren. Bei diesem Endeffektor kann es sich beispielsweise um eine Aufnahme zum Aufnehmen eines zu transportierenden oder zu bewegenden Gutes handeln. Der Endeffektor kann jedoch auch ein Werkzeug sein, beispielsweise ein zerspanendes Werkzeug oder ein Laserkopf zur Abgabe von Laserstrahlung.
Unter den Verfahreinheiten werden insbesondere Vorrichtungen verstanden, die in zwei Raumrichtungen frei im Raum bewegbar sind. Dazu können die Verfahreinheiten beispielsweise Räder oder Kettenantriebe aufweisen. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass die Verfahreinheiten eine Mehrzahl an Beinen aufweisen, die analog zu Insektenbeinen relativ zueinander bewegt werden können, so dass die Verfahreinheit durch den Raum bewegbar ist.
Günstig ist es, wenn die Verfahreinheiten so mechanisch mit dem Endeffektor gekoppelt sind, dass der Endeffektor in zumindest fünf, insbesondere sogar sechs Freiheitsgraden im Raum positionierbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist zumindest eine der Verfahreinheiten Mecanum-Räder auf, mittels derer sie in der Ebene automatisch positionierbar ist. Mecanum-Räder haben die Eigenschaft, mehrere Teil-Randeinheiten aufzuweisen, die kollektiv um eine Drehachse drehbar sind, die aber zusätzlich um eine eigene Achse drehbar sind, die unter einem Winkel zur Drehachse verläuft. Es ist dann möglich, die Verfahreinheit in zwei translatorischen Freiheitsgraden und einem rotatorischen Freiheitsgrad zu bewegen, indem die Räder angesteuert werden. Derartige Verfahreinheiten erlauben eine besonders flexible Positionierung des Endeffektors.
Günstig ist es, wenn zumindest eine der Verfahreinheiten eine Plattform, die in der Ebene automatisch verfahrbar ist, und eine Positioniervorrichtung, die an der Plattform befestigt und so ausgebildet ist, dass der Endeffektor bewegbar ist, wenn die Plattform stillsteht, umfasst. Beispielsweise kann die Positioniervorrichtung einen Flächenmotor aufweisen. Es ist dann möglich, eine etwaige Fehlstellung der Verfahreinheit in der Ebene durch den Flächenmotor auszugleichen. Es ist auch möglich, dass die Positioniervorrichtung eine andere x-y-Positioniervorrichtung umfasst. Besonders günstig ist es, wenn diese Positioniervorrichtung in einer Ebene bewegbar ist, die parallel zu der Ebene verläuft, in der die Verfahreinheit verfahrbar ist. Es ist zudem möglich, dass die Positioniervorrichtung eine Drehpositioniervorrichtung umfasst.
Günstig ist es, wenn der Endeffektor an einem Abtriebsteil befestigt ist, das Abtriebsteil mittels schubstabiler Übertragungselement an den Verfahreneinheiten befestigt ist und zumindest ein Übertragungselement längenveränderbar, insbesondere automatisch längenveränderbar ist. Beispielsweise kann zumindest eines der Übertragungselemente einen Kugelgewindetrieb oder eine ähnliche längenveränderliche Struktur aufweisen, die eine hinreichend hohe Steifigkeit besitzt. Soll der Endeffektor von der Ebene weg bewegt werden, in der die Verfahreinheiten verfahren können, so ist es dann nicht notwendig, dass sich die Verfahreinheiten von ihrem gemeinsamen geometrischen Schwerpunkt wegbewegen, sondern es können auch die Übertragungselemente so angesteuert werden, dass sie sich längen. Dadurch wird der Gegenstand angehoben, ohne dass auf die Verfahreinheiten eine erhöhte Scherkraft wirkt.
Vorzugsweise umfasst die positionierende Maschine ein lokales Navigationssystem. Bei einem derartigen Navigationssystem kann es sich beispielsweise um ein zeittelegrammbasiertes Navigationssystem nach Muster des GPS (Global Positioning System) handeln, bei dem von Sendern Zeittelegramme ausgesendet werden. Die Position des Endeffektors ist dann durch Auswertung der Signale ermittelbar, die von zumindest einem mit dem Endeffekt zumindest mittelbar verbundenen Empfänger gemessen werden. Für eine Anwendung im Freien kann auch ein globales Satellitennavigationssystem verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die positionierende Maschine ein Kamerasystem aufweisen, das insbesondere zumindest drei Kameras umfasst und so eingerichtet ist, dass die Position des Endeffektors ermittelbar ist. Beispielsweise umfasst das Kamerasystem zur Positionserkennung eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen einer Bilderkennung.
Es ist aber auch möglich, dass beispielsweise ein Laser-Längenmesssystem dazu verwendet wird, um die Position des Endeffektors im Raum präzise zu bestimmen. Selbst eine möglicherweise geringe Steifigkeit der Verbindung zwischen den Verfahreinheiten zum Boden kann dann aufgrund der präzisen Lagebestimmung des Endeffektors ausgeglichen werden.
Vorzugsweise ist das lokale Navigationssystem so mit dem Endeffektor gekoppelt, dass die Position des Endeffektors im Raum feststellbar ist. Zwar ist es ausreichend, dass die Lage des Endeffektors im Raum bekannt ist, wobei die Lage durch Angabe von x-, y- und z-Koordinate festgelegt ist. Besonders günstig ist es, wenn das lokale Navigationssystem so ausgebildet ist, dass auch die Orientierung des Endeffektors, der durch drei Neigungswinkel beschrieben werden kann, ebenfalls ermittelbar ist.
Günstig ist es, wenn die positionierende Maschine eine Steuerung aufweist, die mit den Antrieben der Maschine verbunden ist und deren jeweiligen Stellungen automatisch erfasst und daraus automatisch die Position des Endeffektors ermittelt. Die Steuerung erfasst vorzugsweise zudem die Position des Endeffektors, die durch das Navigationssystem ermittelt wird und steuert die Antriebe so an, dass eine etwaige Positionsabweichung korrigiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt zumindest einer der Verfahreinheiten eine Fixiervorrichtung, mittels der die Verfahreinheit mit dem Erdboden verbindbar ist, wobei eine Steifigkeit, mit der die Verfahreinheit relativ zum Erdboden fixiert ist, mittels der Fixiervorrichtung erhöhbar ist. Bei der Fixiervorrichtung kann es sich beispielsweise um Stützen handeln, die eine steife Verbindung mit dem Boden herstellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Maschine in einer ersten Ausführungsform und
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine.
1 zeigt eine positionierende Maschine 10 mit einem Endeffektor 12, der im vorliegenden Fall durch einen Greifer gebildet ist. Der Endeffektor 12 ist an einem Abtriebsteil 14 befestigt. Das Abtriebsteil 14 ist mittels eines ersten schubstabilen Übertragungselements 16.1 an einer ersten Verfahreinheit 18.1 befestigt. Mittels eines zweiten Übertragungselements 16.2 ist das Abtriebsteil 14 mit einer zweiten Verfahreinheit 18.2 verbunden und mittels eines dritten Übertragungselements 16.3 mit einer dritten Verfahreinheit 18.3.
Jede der drei Verfahreinheiten 18 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) sind in einer gemeinsamen Ebene E bewegbar. Dazu besitzen sie jeweils vier Mecanum-Räder 20.1, 20.2, ..., die über nicht eingezeichnete Antriebe in Form von Elektromotoren drehantreibbar sind.
Exemplarisch ist für das Übertragungselement 16.3 eingezeichnet, dass die Übertragungselemente 16 teleskopierbar, das heißt längenveränderbar sind. Dazu umfasst das Übertragungselement 16.3 einen Kugelgewindetrieb 22. Alle Übertragungselemente 16 sind mittels Gelenken 24, insbesondere Kugelgelenken, mit dem Abtriebsteil 14 verbunden.
Schematisch ist ein lokales Navigationssystem 26 eingezeichnet, das drei Sender 28.1, 28.2, 28.3 aufweist. Die Sender 28 strahlen, wie bei einem Satellitennavigationssystem, Zeittelegramme aus, die von drei Empfängern 30.1, 30.2, 30.3 empfangen werden. Aus den Zeittelegrammen errechnen die Empfänger 30 ihre Position relativ zu den Sendern 28, so dass die absolute Lage des Endeffektor 12 sowohl hinsichtlich seiner Position x, y, z, als auch hinsichtlich seiner Orientierung, die beispielsweise durch die Winkel α, β, γ charakterisiert werden kann, berechenbar ist und durch eine nicht eingezeichnete Auswerteeinheit berechnet wird.
Um ein Objekt 32 von einem vorgegebenen ersten Ort zu einem vorgegebenen zweiten Ort zu bewegen, wird zunächst der Endeffektor 12 so positioniert, dass das Objekt 32 gegriffen, geklemmt oder auf andere Weise relativ zum Endeffektor 12 fixiert werden kann. Danach wird das Objekt 32 in eine Transportposition gebracht, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt ist.
Die Verfahreinheiten 18 werden dann so bewegt, dass das Objekt 32 auf eine vorgegebene Position gebracht wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Objekt 32 um ein Flugzeugteil handeln, also um ein Teil, das groß und/oder sperrig und/oder schwer ist. Die Verfahreinheiten 18 werden dann so bewegt, dass genau die Position durch das Objekt 32 eingenommen wird, wie sie vorgegeben ist.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine 10, bei der das Navigationssystem 26 Sender 28 umfasst, die Laserstrahlen 34 aussenden. Die Sender 28 sind Lasertracker, die die Laserstrahlen dem Empfänger 30 nachführen. Die Position des Empfängers 30 und damit die des Endeffektors 12 ist folglich mit hoher Genauigkeit bekannt. Es ist jedoch nicht notwendig, dass der Empfänger 30 am Abtriebsteil 14 befestigt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass zumindest ein Empfänger 30 am Objekt 32 befestigt ist, so dass die Position des Objekts 32 direkt ermittelbar ist.
Die Verfahreinheiten 18 sowie gegebenenfalls die längenveränderbaren Übertragungselemente 16 sind mit einer Steuerung 34 verbunden, beispielsweise per Funkschnittstelle. Die Steuerung 34 ist eingerichtet zum kontinuierlichen Erfassen der Position des Objekts 32 und/oder des Endeffektors 12 durch Erfassen der Position des Empfängers 30 sowie zum Ansteuern der Verfahreinheiten 18 sowie der etwaig vorhandenen längenveränderbaren Übertragungselemente 16, so dass das Objekt 32 die gewünschte Position erreicht.
2 zeigt zudem den Fall, dass die Verfahreinheiten 18 Positioniervorrichtungen 38 aufweisen. Bei der Positioniervorrichtung 38 kann es sich beispielsweise, wie bei der Positioniervorrichtung 38.1, um einen x-y-Tisch handeln, an dem ein Ende des Übertragungselementes 16.1 befestigt ist. Die Positioniervorrichtungen 38 erlauben es, das entsprechende Ende des Übertragungselements 16 in einer Ebene zu positionieren, die parallel zur Ebene E verläuft, in der die Verfahreinheiten 18 positioniert werden können.
Bei der Positioniervorrichtung 38 kann es sich aber auch, wie für die Positioniervorrichtung 38.3 gezeigt, um einen 2D-Elektromotor handeln, mittels dem ein Abtriebselement 40 in einer Ebene positionierbar ist. Am Abtriebselement 40 ist ein Ende des jeweils zugeordneten Übertragungselements 16.3 befestigt. Eine weitere Positioniervorrichtung 38 ist als Drehpositioniervorrichtung 38.2 eingezeichnet, mittels der das Fußende des zugeordneten Übertragungselements 16.2 auf einem Kreisbogen positioniert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Maschine
12: Endeffektor
14: Abtriebsteil
16: Übertragungselement
18: Verfahreinheit
20: Rad
22: Kugelgewindetrieb
24: Gelenk
26: Navigationssystem
28: Sender
30: Empfänger
32: Objekt
34: Steuerung
36: Plattform
38: Positioniervorrichtung
40: Abtriebselement
E: Ebene

Claims

Positionierende Maschine (10) mit (a) einem Endeffektor (12), (b) einer ersten Verfahreinheit (18.1), die in einer Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, (c) einer zweiten Verfahreinheit (18.2), die in der Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, und (d) zumindest einer dritten Verfahreinheit (18.3), die in der Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, (e) wobei die Verfahreinheiten (18) so mechanisch mit dem Endeffektor (12) gekoppelt sind, dass der Endeffektor (12) in zumindest vier Freiheitsgraden mittels Bewegens der Verfahreinheiten (18) positionierbar ist.
Positionierende Maschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Verfahreinheiten (18) Mecanum-Räder (20.1, 20.2, ...) aufweist, mittels derer sie in der Ebene (E) automatisch positionierbar ist.
Positionierende Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Verfahreinheiten (18) (a) eine Plattform (36), die in der Ebene (E) automatisch verfahrbar ist, und (b) eine Positioniervorrichtung (38), die an der Plattform (36) befestigt ist und so ausgebildet ist, dass der Endeffektor (12) bewegbar ist, wenn die Plattform (36) stillsteht, umfasst.
Positionierende Maschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (38) eine Drehpositioniervorrichtung ist.
Positionierende Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Endeffektor (12) an einem Abtriebsteil (14) befestigt ist, – das Abtriebsteil (14) mittels schubstabiler Übertragungselemente (16) an den Verfahreinheiten (18) befestigt ist und – zumindest ein Übertragungselement (16) längenveränderbar, insbesondere automatisch längenveränderbar, ist.
Positionierende Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein lokales Navigationssystem (26), insbesondere ein zeittelegrammbasiertes Navigationssystem (26) (local GPS).
Positionierende Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Verfahreinheit (18) eine Fixiervorrichtung besitzt, mittels der die Verfahreinheit (18) mit dem Erdboden verbindbar ist, wobei eine Steifigkeit, mit der die Verfahreinheit (18) relativ zum Erdboden fixiert ist, mittels der Fixiervorrichtung erhöhbar ist.
Positionierende Maschine (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Handhabungsroboter ist.