DE102012014249A1

DE102012014249A1 - Schutzvorrichtung zur Bewegungsabsicherung eines über mehrere Achsen verstellbaren Roboterarms

Info

Publication number: DE102012014249A1
Application number: DE201210014249
Authority: DE
Inventors: Stefanie Angerer; Jens Bunte
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: DE102012014249B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Bewegungsabsicherung eines über mehrere Achsen verstellbaren Roboterarms eines Industrieroboters, insbesondere eines mobilen Roboters, wobei um den Roboterarm (14) mehrere optische Sensoren (30) vorgesehen sind, die dessen Bewegungsraum (32) berührungslos überwachen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Bewegungsabsicherung eines über mehrere Achsen verstellbaren Roboterarms eines Industrieroboters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim industriellen Einsatz von Robotern ist der Bewegungsraum des Roboterarms entsprechend abzusichern, um Kollisionen jedwelcher Art auszuschließen. Allgemein üblich sind Absperrungen oder berührungsabhängige Sensoren, etc., die aber nicht in allen Anwendungsfällen zufriedenstellend sind.
Derartige Lösungen sind zum Einen kostenintensiv. Zum anderen ist eine Kollisionsvermeidung ohne Berührung nicht realisierbar. In der Automobilindustrie sind jedoch solche Berührungen mit dem Produkt aufgrund der Beschädigungsgefahr nicht zulässig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzvorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die insbesondere für mobile Roboter eine zuverlässige Absicherung des Bewegungsraums des Roboterarms sicherstellt.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass um den Roboterarm mehrere optische Sensoren vorgesehen sind, die dessen Bewegungsraum berührungslos überwachen. Die Sensoren werden demzufolge mit dem Roboterarm mitbewegt und sichern dessen jeweiliges Umfeld zuverlässig ab. Gerät ein Gegenstand oder eine Person in dieses Umfeld, so wird über eine Überwachungselektronik der Roboter stillgesetzt, bevor eine Berührung stattfinden kann. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Sensoren wirkt die Schutzvorrichtung unabhängig vom momentanen Einsatzort des Roboters oder von unterschiedlichen Bewegungsabläufen. Selbst eine Fehlfunktion des Roboters kann gegebenenfalls erkannt werden und dessen Abschaltung herbeiführen.
Besonders vorteilhaft können die Sensoren an einem um den Roboterarm angeordneten und mit diesem schwenk- und drehbar verstellbaren Sensorring positioniert sein und so um den Roboterarm ein nach allen Seiten wirkendes Überwachungsfeld aufbauen.
Entsprechend wird daher die Verwendung eines kreisrunden Sensorringes vorgeschlagen, der um den Roboter angeordnet ist. Der Sensorring kann bevorzugt um jede beliebige horizontale Achse sowie um jeden beliebigen vertikalen Winkel geschwenkt werden. Diese Schwenkbarkeit kann durch einen drehbaren Ring unterhalb des Sensorringes realisiert werden. Dabei kann bei Verwendung optischer PMD-Sensoren durch eine Fokusfunktion der Öffnungswinkel der Sensoren an den Bewegungsraum des Roboters und damit an den Prozess angepasst werden. Der Sensorring kann bei Drehung bzw. Bewegung des Roboters mit gedreht oder bewegt werden, um den Sensorbereich geometrisch an den Bewegungsraum des Roboters anzupassen:
Dabei kann in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Sensorring auf einem zur Drehachse des Roboterarms im Wesentlichen zentrischen Stellring über eine zu einer ersten Schwenkachse des Roboterarms achsparallelen und in Bearbeitungsrichtung liegenden Schwenkachse schwenkbar sein. Der Stellring dreht somit mit dem Roboterarm mit, während der Sensorring dessen jeweiliger Winkelstellung zur Drehachse folgt. Damit ist sichergestellt, dass der über die Sensoren aufgebaute Überwachungsraum um den Roboterarm in allen Dreh- und Winkelstellungen aufrechterhalten ist.
Des Weiteren können die Sensoren von der Ebene des Sensorrings aus betrachtet nach beiden Seiten wirken, so dass auch bei ausgeschwenktem Sensorring der gesamte Bereich des Roboterarms überwacht ist.
Insbesondere können ferner der Stellring und der Sensorring analog zur Bewegungssteuerung des Roboterarms dreh- und schwenkbar gesteuert sein. Dies kann durch entsprechende Integration einer elektrischen Stelleinrichtung in die Robotersteuerung bewerkstelligt sein oder es kann der Stellring und/oder der Sensorring mit der Stellmotorik des Roboterarms mechanisch gekoppelt sein.
Auf dem Sensorring können bevorzugt mehrere Sensoren vorgesehen sein, die entsprechend eingestellt ein kegelförmig sich erweiterndes Überwachungsfeld um dem Roboterarm ausbilden. Die Sensoren können insbesondere PMD Sensoren an sich bekannter Bauart sein, die über Lichtimpulse und Messung der Signallaufzeit das Umfeld des Roboterarms überwachen.
Schließlich kann der Sensorring in seiner lichten Weite so ausgebildet sein, dass er in jeder Stellung des Roboterarms über dessen erste Schwenkachse bzw. über dessen ersten Armabschnitt hinaus schwenkbar ist, um auch extreme Winkelstellungen und Ausladungen des Roboterarms zuverlässig zu erfassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 in raumbildlicher Darstellung einen mobilen Industrieroboter mit einem Roboterarm und einer berührungslosen Schutzeinrichtung zum Absichern des Bewegungsraums des Roboterarms mittels eines Stellrings und eines PMD Sensoren tragenden Sensorrings; und
2 den Roboter nach 1 in einer Extremposition des Roboterarms mit nahezu senkrecht aufgestelltem Sensorring.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen mobilen Industrieroboter 10, der eine mit Rädern und einer Sensorik versehene Plattform 12 aufweist, auf der ein Roboterarm 14 dreh- und schwenkbeweglich angeordnet ist. Der Roboter 10 kann soweit nicht beschrieben bekannter Bauart sein.
Der Roboterarm 14 ist über Aktuatoren (ohne Bezugszeichen) über eine im Wesentlichen senkrechte Drehachse 16 drehbar und dessen Armabschnitte 18, 20 über etwa horizontale Schwenkachsen 22, 24 schwenkbar ausgebildet. Die weiteren Bewegungs-Freiheitsgrade des Roboterarms 14 können zur Ausführung von Betätigungen wie Greifen, Schweißoperationen, Bauteilmontagen, etc. entsprechend ausgebildet sein und sind hier nicht beschrieben.
Auf der Plattform 12 ist zentrisch zur Drehachse 16 des Roboterarms 14 ein Stellring 26 drehbar angeordnet, der über eine in Bearbeitungsrichtung liegende Lagerung mit einer Schwenkachse 28 einen Sensorring 30 trägt. Die Schwenkachse 28 des Sensorrings 30 ist achsparallel zur Schwenkachse 22 des ersten Armabschnitts 18 des Roboterarms 14 ausgerichtet.
Der Sensorring 30 ist mit über dessen Umfang gleichmäßig verteilten PMD (Photonic Mixing Device) Sensoren 32 bestückt, deren Lichtimpulse kegelförmig (vergleiche 2, Bezugszeichen 34) nach beiden Seiten vom Sensorring 30 abstrahlen.
Der Sensorring 30 ist dabei in seiner lichten Weite so bemessen, dass er im Wesentlichen zumindest der Länge des ersten Armabschnitts 18 des Roboterarms 14 entspricht bzw. aus seiner Grundstellung parallel zum Stellring 26 heraus über die Schwenkachse 28 theoretisch um bis zu 180 Grad verschwenkbar ist.
Der Stellring 26 ist mit der den Roboterarm 14 um die Drehachse 16 verdrehbaren Stelleinheit der Plattform 12 verbunden und dreht demzufolge mit dem Roboterarm 14 entsprechend mit.
Der Sensorring 30 wird über eine nicht dargestellte Schwenkmechanik des ersten Armabschnitts 18 des Roboterarms 14 mitverschwenkt. Er kann aber auch über einen elektrischen Aktuator so verschwenkt werden, dass auch bei extremen Schwenkwinkeln der Roboterarmabschnitte 18, 20 (siehe 2) ein gezieltes Überwachungsfeld 34 um den Roboterarm 14 gegeben ist.
Die 1 zeigt den Roboter 10 in einer Position, in der der Armabschnitt 18 des Roboterarms 14 leicht gegenüber einer Senkrechten geneigt und der zweite Armabschnitt 20 etwa horizontal ausgerichtet ist. Der Sensorring 30 ist dazu in eine Ebene ausgerichtet, die etwa parallel zur Winkelhalbierenden der beiden Abschnitte 18, 20 liegt, um somit in der einen Richtung das momentane Umfeld des Roboterarms 14 zu überwachen.
Die 2 zeigt eine Extremposition des Roboterarms 14 mit etwa 90 Grad zueinander geneigten Armabschnitten 18, 20 des Roboterarms 14, bei der der Sensorring 30 etwa eine senkrechte Stellung einnimmt. Die beiden möglichen, kegelförmig sich erweiternden Überwachungsfelder 34 zur Bewegungsabsicherung des Roboterarms 14 sind beispielhaft eingezeichnet.
Die Ausrichtung der PMD Sensoren 32 und deren Signalwerte können in einem Probelauf erfasst und bestimmt werden. Werden über die nicht dargestellte Messelektronik die eingespeicherten Werte zum Beispiel durch einen Gegenstand oder eine in den Überwachungsbereich 34 eingreifende Person verändert, so wird dies berührungslos erkannt und der Roboterarm 14 unverzüglich abgeschaltet oder gegebenenfalls anderweitig reagiert.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Rahmen der formulierten Patentansprüche können auch andere, dem Fachmann geläufige Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes vorteilhaft sein.
Zum Beispiel können anstelle der PMD Sensoren 32 auch ähnliche, Infrarotsignale aussendende Sensoren verwendet sein, die wie dargestellt ein gezieltes Umfeld 34 des Roboterarms 14 berührungslos überwachen.
Bei der Verwendung der optischen PMD Sensoren 32 kann durch eine Fokusfunktion der Öffnungswinkel der Sensoren 32 auch anders als in der 2 dargestellt angepasst sein.

Claims

Schutzvorrichtung zur Bewegungsabsicherung eines über mehrere Achsen verstellbaren Roboterarms eines Industrieroboters, insbesondere eines mobilen Roboters, dadurch gekennzeichnet, dass um den Roboterarm (14) mehrere optische Sensoren (32) vorgesehen sind, die dessen Bewegungsraum (34) berührungslos überwachen.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (32) an einem um den Roboterarm (14) angeordneten und mit diesem schwenk- und drehbar verstellbaren Sensorring (30) positioniert sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorring (30) auf einem zur Drehachse (16) des Roboterarms (14) im Wesentlichen zentrischen Stellring (26) über eine zu einer ersten Schwenkachse (22) des Roboterarms (14) achsparallelen und in Bearbeitungsrichtung liegenden Schwenkachse (28) schwenkbar ist.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (32) von der Ebene des Sensorrings (30) aus betrachtet nach beiden Seiten wirken.
Schutzvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellring (26) und der Sensorring (30) analog zur Bewegungssteuerung des Roboterarms (14) dreh- und schwenkbar gesteuert sind.
Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellring (26) und/oder der Sensorring (30) mit der Stellmotorik des Roboterarms (14) mechanisch gekoppelt sind.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sensorring (30) mehrere Sensoren (32) vorgesehen sind, die ein kegelförmig sich erweiterndes Überwachungsfeld (34) um dem Roboterarm (14) ausbilden.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren PMD Sensoren (32) sind.
Schutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorring (30) in seiner lichten Weite so ausgebildet ist, dass er in jeder Winkelstellung des Roboterarms (14) über dessen erste Schwenkachse (22) bzw. über dessen ersten Armabschnitt (18) hinaus schwenkbar ist.