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Die Erfindung betrifft einen Roboter gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Roboters gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.
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Es sind bereits Roboter und Verfahren zum Betreiben solcher Roboter aus dem Stand der Technik bekannt, welche beispielsweise bei der Serienproduktion von Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, zum Einsatz kommen. Derartige Roboter werden üblicherweise dazu verwendet, wenigstens ein Bauteil eines Kraftwagens von einer ersten Stelle zu einer zweiten Steile zu bewegen, an welcher das Bauteil beispielsweise mittels des Roboters an einem weiteren Bauteil des Kraftwagens montiert werden kann. Ein solcher Roboter umfasst wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Roboterelemente, von welchen wenigstens eines eine metallische Struktur aufweist. Eines der Roboterelemente ist beispielsweise eine sogenannte Basis, über die der Roboter beispielsweise am Boden abstützbar und gegebenenfalls befestigbar ist. Das andere Roboterelement ist beispielsweise ein sogenannter Roboterarm, welcher sich im Arbeitsbereich des Roboters bewegen kann. Es hat sich jedoch gezeigt, dass nicht alle Arbeitsschritte ohne weiteres automatisiert, das heißt mittels wenigstens eines Roboters durchgeführt, werden können. Einige Arbeitsschritte sind beispielsweise nicht oder nur sehr kostenaufwendig zu automatisieren oder können von einem menschlichen Arbeiter besser, beispielsweise in besserer Qualität, durchgeführt werden.
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Daher kommt üblicherweise eine sogenannte Mensch-Roboter-Kooperation zum Einsatz. Im Rahmen einer solchen Mensch-Roboter-Kooperation werden beispielsweise an einer Arbeitsstation wenigstens ein Roboter und wenigstens ein menschlicher Arbeiter eingesetzt, um jeweils wenigstens einen Arbeitsschritt durchzuführen. Dies bedeutet, dass mittels des Roboters wenigstens ein erster Arbeitsschritt automatisch durchgeführt wird, wobei der menschliche Arbeiter wenigstens einen zweiten Arbeitsschritt manuell durchführt. Hierbei weist der Roboter einen ersten Arbeitsbereich auf, in dem sich der Roboter bewegt beziehungsweise in welchem mittels des Roboters wenigstens ein Bauteil oder Werkstück bewegt wird. Dem menschlichen Arbeiter ist ein zweiter Arbeitsbereich zugeordnet, in welchem sich der menschliche Arbeiter aufhält und den wenigstens einen zweiten Arbeitsschritt durchführt.
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Um nun ein besonders sicheres Arbeiten für den menschlichen Arbeiter zu realisieren, ist es beispielsweise vorgesehen, die Arbeitsbereiche strikt voneinander zu trennen. Dies bedeutet, dass sich die Arbeitsbereiche nicht überlappen. Dadurch kann die Gefahr, dass der sich bewegende Roboter mit dem menschlichen Arbeiter kollidiert, besonders gering gehalten werden. Somit können aus einer solchen Kollision etwaig resultierende Konsequenzen vermieden werden. Aus dieser strikten Trennung der Arbeitsbereiche resultiert jedoch ein hoher Platzbedarf, woraus hohe Kosten resultieren. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Arbeitsbereiche zumindest in einem Überlappungsbereich überlappen. In diesem Überlappungsbereich kann sich sowohl der Roboter als auch der menschliche Arbeiter bewegen. Um dabei die Gefahr von Kollisionen sowie die Folgen solcher, etwaiger Kollisionen des menschlichen Arbeiters mit dem Roboter gering zu halten, ist es beispielsweise vorgesehen, dass sich der Roboter mit einer nur sehr geringen Geschwindigkeit im Überlappungsbereich bewegt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Roboter mit einer ersten Geschwindigkeit im Überlappungsbereich bewegt wird, wobei die erste Geschwindigkeit geringer als eine zweite Geschwindigkeit ist, mit welcher der Roboter durch seinen übrigen, sich nicht mit dem Arbeitsbereich des menschlichen Arbeiters überlappenden Arbeitsbereich bewegt wird. Durch die Überlappung der Arbeitsbereiche kann der Platzbedarf gegenüber einer strikten Trennung der Arbeitsbereiche reduziert werden. Jedoch kann hierbei das Zeit- und Kosteneinsparungspotential einer Automatisierung nicht voll ausgeschöpft werden, da der Roboter im Vergleich zur strikten Trennung der Arbeitsbereiche mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit zumindest im Überlappungsbereich bewegt wird.
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Die
DE 101 62 412 A1 offenbart eine Sicherheitseinrichtung für Vorrichtungen mit frei im Raum beweglichen Teilen, insbesondere für Handhabungsgeräte wie Industrieroboter oder führerlose Transportgeräte, mit Schaltmitteln, die bei Kollision der bewegten Teile mit Personen oder Gegenständen ein Steuersignal bewirken, durch das die bewegten Teile stillsetzbar oder ein eine der Annäherungsbewegung entgegen gesetzte Bewegungsfolge bewirkendes Notlaufprogramm in Gang setzbar sind. Dabei ist es vorgesehen, dass ein aus Lichtwellenleitern gebildetes taktiles Sensorsystem auf beweglichen Teilen der Vorrichtung angeordnet ist.
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Eine solche Sicherheitseinrichtung stellt einen zusätzlichen Teile- und somit Kostenaufwand dar. Darüber hinaus ist eine Verkabelung der Sicherheitseinrichtung erforderlich, was die Bewegungsfreiheit des Roboters beeinträchtigen könnte.
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Darüber hinaus ist es bekannt, einen Roboter mit einer berührungsempfindlichen, das heißt taktilen Haut zu versehen. Eine solche taktile Haut kann Kollisionen des Roboters mit Objekten wie beispielsweise Menschen erfassen. Jedoch stellt auch eine solche taktile Haut einen zusätzlichen Teile- und Kostenaufwand dar. Darüber hinaus ist auch hierbei eine Verkabelung erforderlich, die die Bewegungsfreiheit des Roboters beeinträchtigen könnte.
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Ferner offenbart die
DE 196 09 771 A1 eine Vorrichtung zur Verbesserung der Arbeitssicherheit und des Bedienungskomforts an Tischkreissägen. Dabei ist vor dem Sägeblatt eine elektronische Handerkennung platziert, welche im Notfall Schutzmaßnahmen auslöst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Roboter und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen sich eine platzsparende, zeit- und kostengünstige sowie für einen menschlichen Arbeiter besonders sichere Durchführung von automatisch und manuell durchzuführenden Arbeitsschritten realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Roboter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Roboter zu schaffen, mittels welchem sich eine platzsparende sowie zeit- und kostengünstige und für einen menschlichen Arbeiter besonders sichere Durchführung von automatisch und manuell durchzuführenden Arbeitsschritten realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein zumindest teilweise durch die metallische Struktur gebildeter kapazitiver Näherungssensor vorgesehen, mittels welchem eine Annäherung eines Objekts, insbesondere eines Menschen, an den Roboter erfassbar ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die metallische Struktur Teil des kapazitiven Näherungssensors ist. Ein solcher kapazitiver Näherungssensor wird üblicherweise auch als kapazitiver Näherungsschalter bezeichnet. Mittels eines solchen kapazitiven Näherungssensors wird ein Wechselfeld erzeugt, welches zumindest einen Teil des Roboters, beispielsweise zumindest einen Teil der metallischen Struktur, umgibt.
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Bei dem Wechselfeld kann es sich beispielsweise um ein elektrisches Feld oder ein elektromagnetisches Feld handeln. Der kapazitive Näherungssensor nutzt dabei die metallische Struktur zum Erzeugen des Wechselfelds. Mit anderen Worten wird das Wechselfeld mittels der metallischen Struktur erzeugt.
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Der kapazitive Näherungssensor umfasst wenigstens ein kapazitives Element mit einer Kapazität. Nähert sich nun ein Objekt, beispielsweise ein Mensch, dem Roboter, und dringt das Objekt in das Wechselfeld ein, so resultiert daraus eine Änderung der Kapazität. Diese Kapazitätsänderung wird erfasst, wodurch auch die Annäherung des Objekts an den Roboter erfasst werden kann. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die ohnehin vorhandene metallische Struktur des Roboters als Antenne beziehungsweise Messelektrode zum Erfassen dieser Kapazitätsänderung genutzt wird. Somit kann auf zusätzliche, kosten- und gewichtsintensive Sensoren wie beispielsweise Ultraschall- oder Radarsensoren verzichtet werden. Darüber hinaus ist es mittels des kapazitiven Näherungssensors möglich, Annäherungen von Objekten wie beispielsweise Menschen an den Roboter sicher zu erfassen, so dass in Reaktion auf eine solche Erfassung beispielsweise eine Bewegung des Roboters verändert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine Mensch-Roboter-Kooperation auf platzsparende Weise zu realisieren. Hierbei können sich jeweilige Arbeitsbereiche des Roboters und wenigstens eines menschlichen Arbeiters in einem Überlappungsbereich überlappen. Darüber hinaus kann der Roboter auch mit einer hohen Geschwindigkeit im Überlappungsbereich bewegt werden, da drohende Kollisionen des Roboters mit dem menschlichen Arbeiter mittels des kapazitiven Näherungssensors erfasst und gegebenenfalls vermieden und/oder Folgen von solchen Kollisionen vermieden werden können. Somit ist es im Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation möglich, mittels des menschlichen Arbeiters wenigstens einen ersten Arbeitsschritt manuell und mittels des Roboters wenigstens einen zweiten Arbeitsschritt automatisch auf besonders zeit- und somit kostengünstige Weise durchführen zu lassen. Da die metallische Struktur als Messelektrode oder Antenne verwendet wird, kann auch auf eine die Bewegungsfreiheit des Roboters beeinträchtigende Verkabelung verzichtet werden. Die ohnehin vorhandene, metallische Struktur selbst wird nämlich als elektrischer Leiter verwendet. Darüber hinaus kann auf die Verwendung von Schaumstoffen, Polsterungen, Lichtgittern, einer Kameraüberwachung sowie auf spezielle konstruktive Maßnahmen des Roboters, beispielsweise zur Realisierung einer Eigensicherheit des Roboters, verzichtet werden, oder der Aufwand für derartige Maßnahmen kann gering gehalten werden. Darüber hinaus ist es infolge der Nutzung der metallischen Struktur als Messelektrode möglich, die Annäherung eines Menschen an den Roboter unabhängig von der Annäherungsrichtung zu erfassen. Wird eine solche Annäherung erfasst, so können entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Beispielsweise kann eine Bewegung des Roboters verändert, insbesondere zumindest vorübergehend unterbrochen, werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine Bewegungsbahn, entlang welcher der Roboter bewegt wird, zu ändern.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die metallische Struktur durch wenigstens ein Verkleidungsteil des Roboters gebildet. Hierbei ist es beispielsweise vorgesehen, dass das wenigstens eine metallische Verkleidungsteil als Messelektrode beziehungsweise Antenne verwendet wird.
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Durch ein solches Verkleidungsteil ist beispielsweise ein Aufnahmeraum des Roboters zumindest teilweise begrenzt, wobei in dem Aufnahmeraum wenigstens ein Bauteil, insbesondere eine elektronische Komponente, des Roboters aufgenommen ist. Bei einer solchen elektronischen Komponente kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Schalter oder einen Sensor handeln. Durch die Nutzung des ohnehin vorhandenen Verkleidungsteils als Antenne kann der Aufwand zur Erfassung einer Annäherung eines Objekts an den Roboter besonders gering gehalten werden. Darüber hinaus ist es möglich, das Wechselfeld an einer vorteilhaften Position des Roboters zu erzeugen. Außerdem kann dadurch auf einfache Weise realisiert werden, dass das Wechselfeld mit dem Roboter mitbewegt wird, da sich das Verkleidungsteil bei Bewegungen des Roboters mitbewegt.
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Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn durch die metallische Struktur eine Außenhaut des Roboters zumindest teilweise gebildet ist. Mit anderen Worten bildet die metallische Struktur eine Außenhaut des Roboters, welche nicht von einem Verkleidungsteil oder beispielsweise Schutzhüllen umgeben ist. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Positionierung des Wechselfelds realisiert werden, so dass Annäherungen von Objekten wie beispielsweise Menschen an den Roboter effektiv und effizient erfasst werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mittels des kapazitiven Näherungssensors wenigstens ein Wechselfeld erzeugbar, welches in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit zumindest eines der Roboterelemente variabel ist. Insbesondere ist eine Feldstärke des Wechselfelds in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit variabel, das heißt einstellbar. Wird der Roboter beziehungsweise wenigstens eines der Roboterelemente beispielsweise mit einer ersten Geschwindigkeit bewegt, so wird eine erste Feldstärke eingestellt. Wird der Roboter beziehungsweise das Roboterelement mit einer gegenüber der ersten Geschwindigkeit höheren, zweiten Geschwindigkeit bewegt, so wird beispielsweise eine gegenüber der ersten Feldstärke höhere, zweite Feldstärke des Wechselfelds eingestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch die Größe, das heißt die Erstreckung des Wechselfelds variiert werden. Hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass bei einer hohen Geschwindigkeit eine große Erstreckung des Wechselfelds eingestellt wird, während bei einer demgegenüber geringeren Geschwindigkeit eine geringere Erstreckung des Wechselfelds eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich ist ferner eine Einstellung, das heißt Veränderung des Wechselfelds in Abhängigkeit von der Position des Roboters beziehungsweise des Roboterelements im Raum denkbar.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist ein erstes der Roboterelemente die metallische Struktur auf, durch welche der kapazitive Näherungssensor, mittels welchem eine Annäherung eines Objekts an die metallische Struktur erfassbar ist, zumindest teilweise gebildet ist. Das zweite Roboterelement weist dabei eine zweite metallische Struktur auf, wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch die zweite metallische Struktur gebildeter, zweiter kapazitiver Näherungssensor vorgesehen ist, mittels welchem eine Annäherung eines Objekts an die zweite metallische Struktur erfassbar ist. Das zuvor zum ersten kapazitiven Näherungssensor Geschilderte kann ohne weiteres auch auf den zweiten kapazitiven Näherungssensor übertragen werden.
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Durch die Verwendung von wenigstens zwei kapazitiven Näherungssensoren können Annäherungen von Objekten wie beispielsweise menschlichen Arbeitern an den Roboter besonders effektiv und sicher erfasst werden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die kapazitiven Näherungssensoren dazu ausgebildet sind, voneinander unterschiedliche Wechselfelder um zumindest einen jeweiligen Teil der metallischen Strukturen herum zu erzeugen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, das jeweilige Wechselfeld an das jeweilige Roboterelement und somit an jeweilige Bereiche des Roboters bedarfsgerecht anpassen zu können. Beispielsweise ist es hierdurch möglich, dass in einem ersten Bereich des Roboters, in dem der Roboter ungünstige, wie beispielsweise scharfe oder spitze Konturen aufweist, ein stärkeres und/oder größeres Wechselfeld erzeugt wird als in einem zweiten Bereich des Roboters, in dem günstige wie beispielsweise abgerundete Konturen des Roboters angeordnet sind.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die Wechselfelder in ihrer Feldstärke voneinander.
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Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters. Um eine besonders platzsparende sowie zeit- und kostengünstige und für einen menschlichen Arbeitern besonders sichere Durchführung von manuell und automatisch durchzuführenden Arbeitsschritten zu realisieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels wenigstens eines zumindest teilweise durch die metallische Struktur gebildeten kapazitiven Näherungssensors eine Annäherung eines Objekts an den Roboter erfasst wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Roboters sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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In vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung wird mittels des kapazitiven Näherungssensors ein Wechselfeld erzeugt, welches in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit, mit welcher zumindest eines der Roboterelemente bewegt wird, verändert wird. Wird das Roboterelement beispielsweise besonders schnell bewegt, wo wird beispielsweise eine besonders große Erstreckung des Wechselfelds erzeugt, um dadurch eine Annäherung eines menschlichen Arbeiters an den Roboter besonders frühzeitig erkennen und in der Folge auf diese Annäherung reagieren zu können. Wird der Roboter beziehungsweise das Roboterelement jedoch mit einer demgegenüber geringeren Geschwindigkeit bewegt, so ist eine geringere Erstreckung des Wechselfelds ausreichend, um eine Annäherung eines menschlichen Arbeiters an den Roboter zu erfassen und entsprechende Maßnahmen einzuleiten, um eine Kollision des Roboters mit dem menschlichen Arbeiter zu vermeiden und/oder Folgen einer solchen Kollision gering zu halten.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Seitenansicht auf einen Roboter gemäß einer ersten Ausführungsform, mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren Roboterelementen, wobei wenigstens eines der Roboterelemente eine metallische Struktur aufweist und wobei wenigstens ein zumindest teilweise durch die metallische Struktur gebildeter kapazitiver Näherungssensor vorgesehen ist, mittels welchem eine Annäherung eines Objekts an den Roboter erfassbar ist;
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2 eine weitere schematische Seitenansicht auf den Roboter gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 eine schematische Seitenansicht auf den Roboter gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 eine schematische Seitenansicht auf den Roboter gemäß einer dritten Ausführungsform;
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5 eine schematische Seitenansicht auf den Roboter gemäß einer vierten Ausführungsform; und
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6 eine schematische Seitenansicht auf den Roboter gemäß einer fünften Ausführungsform.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen im Ganzen mit 10 bezeichneten Roboter. Der Roboter 10 wird beispielsweise im Zuge einer Massenproduktion von Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, verwendet, um wenigstens einen Herstellungsvorgang automatisch durchzuführen. Mittels des Roboters 10 wird beispielsweise wenigstens ein Bauteil eines Kraftwagens von einer ersten Stelle an eine demgegenüber unterschiedliche, zweite Stelle bewegt. Das Bauteil wird beispielsweise an der zweiten Steile an einem korrespondierenden, weiteren Bauteil des Kraftwagens montiert.
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Der Roboter 10 umfasst als erstes Roboterelement eine Basis 12. Über die Basis 12 ist der Roboter an einem Boden abstützbar und befestigbar. Im über die Basis 12 am Boden befestigten Zustand ist die Basis 12 relativ zu dem Boden unbeweglich.
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Der Roboter 10 umfasst weitere Roboterelemente in Form von Roboterarmen 14a–e sowie ein weiteres Roboterelement in Form eines Roboterkopfes 16. Die Roboterarme 14a–e sind gelenkig miteinander verbunden und jeweils um wenigstens eine Achse und/oder entlang wenigstens einer Achse relativ zueinander bewegbar. Darüber hinaus ist der Roboterarm 14a gelenkig mit der Basis 12 verbunden, so dass der Roboterarm 14a um wenigstens eine Achse und/oder entlang wenigstens einer Achse relativ zur Basis 12 bewegt werden kann. Auch der Roboterkopf 16 ist gelenkig mit dem Roboterarm 14e verbunden, so dass der Roboterkopf 16 um wenigstens eine Achse und/oder entlang wenigstens einer Achse relativ zu dem Roboterarm 14e bewegt werden kann. Wie im Folgenden noch erläutert wird, kann am Roboterkopf 16 ein weiteres Roboterelement in Form eines Werkzeugs befestigt werden. Hierzu weist der Roboterkopf 16 einen Flansch 28 auf, an dem das Werkzeug befestigbar ist.
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Bei dem Werkzeug handelt es sich beispielsweise um einen Greifer, mittels welchem der Roboter 10 das zuvor genannte Bauteil aufnehmen und an sich halten kann. Mittels des Greifers kann dieses Bauteil von der ersten Stelle zu der zweiten Stelle bewegt werden. Der Roboter 10 weist dabei einen ersten Arbeitsbereich auf, in dem sich der Roboter 10, insbesondere das Werkzeug, bewegen kann.
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Der Roboter 10 ist beispielsweise als Leichtbauroboter ausgebildet. Unter einem solchen Leichtbauroboter (LBR) ist ein Roboter zu verstehen, der ein sehr geringes Eigengewicht und eine sehr präzise Steuerung, insbesondere Kraftsteuerung, oder Regelung, insbesondere Kraftregelung, aufweist. Bei einem solchen Leichtbauroboter handelt es sich insbesondere um einen kraftsensitiven Leichtbauroboter, welcher eine prozesssichere und schnelle Durchführung von Prozessen ermöglicht. Der Leichtbauroboter weist dabei integrierte Kraft- und/oder Drehmoment- und/oder Wegsensoren auf, mittels welchen ein Kraft- und/oder ein Drehmoment, welches an der jeweiligen Achse wirkt, gemessen werden kann. Mit anderen Worten können diese integrierten Sensoren verwendet werden, um um die jeweilige Bewegungsachse und/oder entlang der jeweiligen Bewegungsachse wirkende Kräfte und/oder Drehmomente zu erfassen.
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Die Roboterelemente (Basis 12, Roboterarme 14a–e und Roboterkopf 16) weisen jeweils wenigstens eine äußere metallische Struktur auf. Diese jeweilige metallische Struktur ist beispielsweise durch wenigstens ein jeweiliges Verkleidungsteil gebildet. Durch das jeweilige Verkleidungsteil ist beispielsweise ein Aufnahmeraum zumindest bereichsweise begrenzt, wobei in dem Aufnahmeraum der jeweilige integrierte Sensor angeordnet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass durch die jeweilige metallische Struktur eine Außenhaut 18 des Roboters 10 zumindest teilweise gebildet ist.
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Im Rahmen der Herstellung der Kraftwagen kommt beispielsweise eine sogenannte Mensch-Roboter-Kooperation zum Einsatz. Dies bedeutet, dass der Roboter 10 verwendet wird, um Arbeitsschritte automatisch durchzuführen. Darüber hinaus wird wenigstens ein menschlicher Arbeiter eingesetzt, um Arbeitsschritte manuell durchzuführen. Dem menschlichen Arbeiter ist dabei ein zweiter Arbeitsbereich zugeordnet, in dem sich der menschliche Arbeiter aufhalten und die Arbeitschritte manuell durchführen kann.
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Um nun eine besonders platz- und somit kostensparende Herstellung der Kraftwagen zu realisieren, ist es vorgesehen, dass sich die Arbeitsbereiche zumindest in einem Überlappungsbereich überlappen. Diese bedeutet, dass sich sowohl der Roboter 10 als auch der menschliche Arbeiter in dem Überlappungsbereich aufhalten kann. Um zu vermeiden, den Roboter 10 übermäßig langsam im Überlappungsbereich bewegen zu müssen, umfasst der Roboter 10 einen in 1 bis 6 besonders schematisch dargestellten und im Ganzen mit 20 bezeichneten, kapazitiven Näherungssensor. 1 zeigt dabei eine erste Ausführungsform des Roboters 10. Der kapazitive Näherungssensor 20 wird üblicherweise auch als kapazitiver Näherungsschalter bezeichnet und dient dazu, eine Annäherung wenigstens eines Objekts wie beispielsweise des menschlichen Arbeiters an den Roboter 10 zu erfassen. Der kapazitive Näherungssensor 20 ist dabei zumindest teilweise durch die jeweilige metallische Struktur gebildet. Dies bedeutet, dass die jeweilige metallische Struktur ein Teil, das heißt ein Bauteil des kapazitiven Näherungssensors 20 ist.
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Der kapazitive Näherungssensor 20, welcher auch als kapazitiver Schwingfeldsensor bezeichnet wird, weist beispielsweise einen Schwingkreis auf. Ein solcher Schwingkreis ist eine resonanzfähige elektrische Schaltung aus wenigstens einer Spule und wenigstens einem kapazitiven Element beispielsweise in Form eines Kondensators, die elektrische Schwingungen ausführen kann. Wie in 1 anhand einer elektrischen Verbindung 22 veranschaulicht ist, ist der Schwingkreis elektrisch mit der jeweiligen metallischen Struktur gekoppelt. Mit anderen Worten ist die jeweilige metallische Struktur Teil des Schwingkreises. Hierzu ist in 1 schematisch dargestellt, dass der kapazitive Schwingfeldsensor über die elektrische Verbindung 22 an den nicht geerdeten Roboter 10 beziehungsweise die Basis 12 angekoppelt ist.
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Mittels des kapazitiven Näherungssensors 20 wird ein Wechselfeld beispielsweise in Form eines schwingenden elektromagnetischen Felds 24 erzeugt. In 1 sind Feldlinien 26 des Wechselfelds (elektromagnetisches Feld 24) schematisch dargestellt. Da die jeweilige metallische Struktur Teil des Schwingkreises ist, schwingt die gesamte metallische Struktur beziehungsweise metallische Außenhaut des Roboters 10 von der Basis 12 bis hin zu einem Flansch 28 des Roboterkopfes 16. Aus 1 ist ferner erkennbar, dass das elektromagnetische Feld 24 zumindest die Roboterelemente, insbesondere den gesamten Roboter 10, vollständig umgibt. Dies bedeutet, dass die metallischen Strukturen als Messelektrode oder Antenne zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds 24 genutzt werden. Das elektromagnetische Feld 24 (Wechselfeld) kann mit Objekten wie beispielsweise einem Menschen wechselwirken. Nähert sich beispielsweise der menschliche Arbeiter dem Roboter 10 an und dringt der menschliche Arbeiter in das elektromagnetische Feld 24 ein, so bewirkt eine Wechselwirkung des elektrischen Felds 24 mit dem menschlichen Arbeiter eine Veränderung der Kapazität des kapazitiven Elements des Schwingkreises. Diese Kapazitätsänderung kann mittels des kapazitiven Näherungssensors 20 erfasst werden, woraufhin infolge dieser Erfassung auf eine Annäherung eines Objekts, insbesondere des menschlichen Arbeiters, an den Roboter 10 rückgeschlossen werden kann.
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Das Prinzip eines solchen Schwingfeldsensors (kapazitiver Näherungssensor 20) ist beispielsweise als Theremin-Oszillator bekannt. Ein solcher Theremin-Oszillator umfasst eine Schaltung mit zwei Oszillatoren, von denen einer auf einer festen ersten Frequenz schwingt. Der andere Oszillator schwingt mit einer zweiten Frequenz, wobei die zweite Frequenz in Abhängigkeit von der Annäherung eines Gegenstands an eine Kupferplatte, welche zusammen mit dem Gegenstand eine Parallelkapazität zu der Kapazität im Schwingkreis darstellt, geändert wird. Die Differenz dieser beiden Frequenzen ist proportional zur Annäherung des Gegenstands.
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Mittels des kapazitiven Näherungssensors 20 kann somit beispielsweise im genannten Überlappungsbereich eine Annäherung des menschlichen Arbeiters an den Roboter 10 erfasst werden. In der Folge kann auf eine drohende Kollision des Roboters 10 mit dem menschlichen Arbeiter rückgeschlossen werden, so dass – beispielsweise, um die Kollision zu vermeiden oder Folgen einer solchen Kollision abzuschwächen – die Bewegung des Roboters 10 verändert werden kann. Beispielsweise wird die Bewegung des Roboters 10 zumindest vorübergehend unterbrochen und/oder eine Bewegungsbahn, entlang welcher der Roboter 10, insbesondere das Werkzeug, bewegt wird, wird geändert.
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Da die metallischen Strukturen als Messelektrode beziehungsweise Antenne genutzt und der kapazitive Näherungssensor 20 an der Basis 12 angebracht ist, können zusätzliche, gewichts- und kostenintensive Sensoren und eine Verkabelung dieser Sensoren vermieden werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine Annäherung eines Objekts, insbesondere des menschlichen Arbeiters, an den Roboter 10 unabhängig von einer Annäherungsrichtung, aus welcher sich das Objekt dem Roboter 10 nähert, zu erfassen. Mit anderen Worten ist beispielsweise eine Rundumüberwachung des Roboters 10 auf einfache Weise darstellbar.
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Aus 2 ist nochmals erkennbar, dass das elektromagnetische Feld 24 die Basis 12, die Roboterarme 14a–e und den Roboterkopf 16 umgibt, wobei die jeweiligen metallischen Strukturen der Basis 12, der Roboterarme 14a–e und des Roboterkopfes 16 zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds 24 genutzt werden. Hierzu sind die Basis 12, die Roboterarme 14a–e und der Roboterkopf 16 elektrisch leitend miteinander verbunden, so dass beispielsweise der Roboterkopf 16 und die Roboterarme 14a–e über die Basis 12 elektrisch mit dem Schwingkreis verbunden sind.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Roboters 10. Aus 3 ist erkennbar, dass bei der zweiten Ausführungsform das im Ganzen mit 30 bezeichnete Werkzeug über den Flansch 28 am Roboterkopf 16 befestigt ist. Hierbei ist das Werkzeug 30 elektrisch mit dem Roboterkopf 16 verbunden, so dass nun auch das Werkzeug 30 Bestandteil des Schwingkreises ist beziehungsweise elektrisch mit diesem gekoppelt ist. Hierbei weist das Werkzeug 30, welches beispielsweise als ein Greifer ausgebildet ist, eine weitere metallische Struktur auf, welche somit ebenfalls zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds 24 genutzt wird. In der Folge umgibt das elektromagnetische Feld 24 (Wechselfeld) nicht nur die Basis 12 und die Roboterarme 14a–e und den Roboterkopf 16, sondern auch das Werkzeug 30. Die elektrisch leitende Verbindung des Werkzeugs 30 mit dem Roboterkopf 16 erfolgt beispielsweise über wenigstens ein Befestigungselement, insbesondere eine Schraube, mittels welchem beziehungsweise mittels welcher das Werkzeug 30 am Roboterkopf 16 befestigt ist. Infolge dieser elektrischen Verbindung schwingt das Werkzeug 30 ebenfalls mit und kann eine Annäherung eines menschlichen Arbeiters an den Roboter 10 durch eine dadurch bewirkte Änderung des Wechselfelds detektieren.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Roboters 10. Aus 4 ist erkennbar, dass nun an dem Werkzeug 30 ein metallisches Bauteil 32 angeordnet ist. Das metallische Bauteil 32 weist somit ebenfalls eine metallische Struktur auf, die mit der metallischen Struktur des Werkzeugs 30 und über dieses mit dem Roboterkopf 16, den Roboterarmen 14a–e und der Basis 12 elektrisch verbunden ist. Somit dient auch das am Werkzeug 30 (Greifer) gehaltene Bauteil 32 als Antenne und zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds 24, da die Basis 12, die Roboterarme 14a–e, der Roboterkopf 16, das Werkzeug 30 und das Bauteil 32 elektrisch, das heißt leitend miteinander verbunden sind.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben des Roboters 10 kann somit vorgesehen sein, mittels des Roboters 10 wenigstens ein Bauteil oder Werkstück, vorliegend in Form des Bauteils 32, aufzunehmen, am Roboter 10 zu fixieren und elektrisch mit der metallischen Struktur, die zum Erzeugen des elektromagnetischen Felds 24 (Wechselfeld) verwendet wird, zu verbinden. Somit kann auch das Bauteil 32 als Messelektrode beziehungsweise Antenne verwendet werden.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform des Roboters 10. Bei der vierten Ausführungsform ist der kapazitive Näherungssensor 20 als erster kapazitiver Näherungssensor vorgesehen. Der erste kapazitive Näherungssensor 20 wird dabei zumindest teilweise durch die metallischen Strukturen der Basis 12, der Roboterarme 14a–e und des Roboterkopfes 16 gebildet.
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Ferner ist bei der vierten Ausführungsform ein zweiter kapazitiver Näherungssensor 34 vorgesehen. Bezüglich der Funktion kann das zuvor zum ersten kapazitiven Näherungssensor 20 Geschilderte ohne weiteres auch auf den zweiten kapazitiven Näherungssensor 34 übertragen werden. Der zweite kapazitive Näherungssensor 34 ist nun zumindest teilweise durch die metallische Struktur des Werkzeugs 30 gebildet. Mit anderen Worten ist der Schwingkreis des ersten kapazitiven Näherungssensors 20 mit den metallischen Strukturen der Basis 12, der Roboterarme 14a–e und des Roboterkopfes 16 elektrisch verbunden, während der Schwingkreis des zweiten kapazitiven Näherungssensors 34 elektrisch mit der metallischen Struktur des Werkzeugs 30 verbunden ist. Die Schwingkreise der kapazitiven Näherungssensoren 20, 34 sind dabei separat voneinander. Hierdurch wird mittels des ersten kapazitiven Näherungssensors 20 ein erstes Wechselfeld in Form eines ersten elektromagnetischen Felds 24 erzeugt. Mittels des zweiten kapazitiven Näherungssensors 34 wird ein vom ersten elektromagnetischen Feld 24 unterschiedliches, zweites Wechselfeld in Form eines zweiten elektromagnetischen Felds 36 erzeugt.
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Zur Realisierung dieser separaten Erzeugung der elektromagnetischen Felder 24, 36 sind das Werkzeug 30 und der Roboterkopf 16 nicht-leitend miteinander verbunden, das heißt elektrisch voneinander entkoppelt, so dass die metallische Struktur des Werkzeugs 30 nicht Bestandteil des Schwingkreises des ersten kapazitiven Näherungssensors 20 ist. Hierzu wird beispielsweise die Basis 12 auf eine nicht-leitende Kunststoffplatte geschraubt beziehungsweise an dieser befestigt. Ferner wird das Werkzeug 30 über einen Kunststoffadapter am Roboterkopf 16 befestigt.
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Die elektromagnetischen Felder 24, 36 sind beispielsweise voneinander unterschiedlich. Beispielsweise unterscheiden sich die elektromagnetischen Felder 24, 36 hinsichtlich ihrer Feldstärke. Hierbei ist es beispielsweise möglich, mittels des elektromagnetischen Felds 36 eine Annäherung des menschlichen Arbeiters an das Werkzeug 30 zu erfassen, während mittels des elektromagnetischen Felds 24 Annäherungen des menschlichen Arbeiters an den übrigen Roboter 10 erfasst werden können.
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Darüber hinaus kann es notwendig sein, Bauteilzuführungen und Ablagen ebenfalls von der Erdung zu entkoppeln, um negative Einflüsse auf die Erfassung auszuschließen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Kunststoffablagen oder dergleichen realisiert werden.
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6 zeigt eine fünfte Ausführungsform des Roboters 10. Bei der fünften Ausführungsform sind die kapazitiven Näherungssensoren 20, 34 der vierten Ausführungsform vorgesehen. Darüber hinaus ist ein zusätzlicher, dritter kapazitiver Näherungssensor 38 vorgesehen. Der dritte kapazitive Näherungssensor 38 wird dabei zumindest teilweise durch die metallische Struktur des am Werkzeug 30 gehaltenen Bauteils 32 gebildet. Somit werden nicht nur die Basis 12, die Roboterarme 14a–e und der Roboterkopf 16 sowie das Werkzeug 30, sondern auch die metallische Struktur des Bauteils 32 als Messelektrode beziehungsweise Antenne verwendet. Hierzu ist es beispielsweise vorgesehen, dass das am Werkzeug 30 gehaltene Bauteil 32 nicht-leitend mit dem Werkzeug 30 verbunden und somit von dem Werkzeug 30, von der Basis 12, von den Roboterarmen 14a–e und dem Roboterkopf 16 elektrisch entkoppelt ist. Dadurch sind die jeweiligen Schwingkreise der kapazitiven Näherungssensoren 20, 34, 38 elektrisch voneinander entkoppelt und separat. Zur Realisierung dieser nicht-leitenden Halterung des Bauteils 32 am Werkzeug 30 weist das als Greifer ausgebildete Werkzeug 30 beispielsweise Kunststoffbacken auf, mit denen das Bauteil 32 gegriffen wird. Vorzugsweise kann hier eine Sensorleitung abgeschirmt durch den Roboter 10 verlaufen und einerseits in elektrischer Verbindung mit dem Bauteil 32 und andererseits in elektrischer Verbindung mit dem Schwingkreis des kapazitiven Näherungssensors 38 stehen.
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Mittels des dritten kapazitiven Näherungssensors 38, das heißt mittels der metallischen Struktur des Bauteils 32 wird ein drittes Wechselfeld in Form eines dritten elektromagnetischen Felds 40 erzeugt. Auch mittels des dritten elektromagnetischen Felds 40 können Annäherungen von Objekten, insbesondere des menschlichen Arbeiters, an den Roboter 10 und insbesondere an das Bauteil 32 erfasst werden.
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Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, dass mittels der kapazitiven Näherungssensoren 20, 34 beziehungsweise mittels der kapazitiven Näherungssensoren 20, 34, 38 unterschiedlich starke Wechselfelder erzeugt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, das gegebenenfalls scharfkantige Bauteil 32 mit einem besonders großen Wechselfeld zu umgeben, um dadurch einen großen Überwachungsbereich zu realisieren. Der übrige Roboter 10, welcher vorzugsweise abgerundete Konturen aufweist, kann mit einem demgegenüber kleineren Wechselfeld umgeben werden. Durch die Verwendung der unterschiedlichen Näherungssensoren 20, 34, 38 ist es somit möglich, das jeweilige Wechselfeld, insbesondere die jeweilige Feldstärke des Wechselfelds, bedarfsgerecht an jeweilige Bereiche und Objekte anzupassen. Insbesondere ist es möglich, das elektromagnetische Feld 40 an unterschiedliche, mittels des Werkzeugs 30 zu greifende Objekte anzupassen.
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Darüber hinaus ist ein besonders vorteilhaftes Erfassungssystem durch Einbeziehung der genannten, integrierten Sensoren des Leichtbauroboters darstellbar. Die elektromagnetischen Felder 24, 36, 40 können beispielsweise als Frühwarnsystem genutzt werden, mittels welchem drohende, das heißt bevorstehende und noch nicht eingetretene Kollisionen des menschlichen Arbeiters mit dem Roboter 10 und/oder dem Bauteil 32 erfasst werden können. Die integrierten Sensoren des Leichtbauroboters können dann als Sensorik verwendet werden, um einen tatsächlichen Kontakt des menschlichen Arbeiters mit dem Roboter 10 und/oder dem Bauteil 32 zu erfassen. Kommt es zu einem Kontakt zwischen dem Roboter 10 und dem menschlichen Arbeiter, so resultiert daraus beispielsweise, dass eine um eine der Achsen wirkende Kraft einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Diese Schwellenwertüberschreitung kann mittels wenigstens eines der integrierten Sensoren erfasst werden.
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Wird beispielsweise mittels des Frühwarnsystems eine Annäherung eines menschlichen Arbeiters an den Roboter 10 erfasst, so kann beispielsweise die Geschwindigkeit des Roboters 10 reduziert werden, ohne jedoch die Durchführung des Arbeitsschritts stoppen oder unterbrechen zu müssen. Der Roboter 10 kann sich langsam weiterbewegen. Somit kann das Frühwarnsystem den Roboter 10 beispielsweise dazu veranlassen, sich besonders sensitiv zu verhalten und langsam zu bewegen, da eine Kollision beziehungsweise ein Kontakt bevorsteht. Kommt es dann tatsächlich zu dem Kontakt, und wird dieser Kontakt mittels der integrierten Sensoren erfasst, so kann die Bewegung des Roboters 10 zumindest vorübergehend unterbrochen werden.
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Darüber hinaus ist es denkbar, zumindest eines der elektromagnetischen Felder 24, 36, 40 in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit, mit welcher eines der Roboterelemente bewegt wird, zu variieren. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, wenigstens eines der Wechselfelder dynamisch an die Geschwindigkeit des Roboters 10 anzupassen. Wird der Roboter 10 beispielsweise schnell bewegt, so wird eine große Erstreckung des Wechselfelds eingestellt. Wird der Roboter 10 jedoch langsam bewegt, so wird eine geringere Erstreckung eingestellt. Hierbei kann eine stufenlose Anpassung des Wechselfelds vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist eine Anpassung während der Bewegung des Roboters 10 möglich, so dass das Wechselfeld während der Bewegung des Roboters 10 verstärkt oder abgeschwächt werden kann. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn unterschiedliche Körperteile des menschlichen Arbeiters vom Roboter 10 getroffen werden können. Besteht beispielsweise die Möglichkeit, den Kopf des menschlichen Arbeiters zu treffen, so wird der Roboter 10 verlangsamt und/oder das Wechselfeld wird vergrößert, da der Kopf nicht oder nur sehr leicht getroffen werden kann. Besteht jedoch die Möglichkeit, eine Hand des menschlichen Arbeiters zu treffen, so kann der Roboter schneller bewegt und/oder es kann ein kleineres Wechselfeld eingestellt werden, da im Vergleich mit dem Kopf ein höherer beziehungsweise stärkerer Kontaktimpuls zugelassen werden kann.
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Der Roboter 10 wird üblicherweise mit einer Kleinspannung betrieben. Bei dieser Kleinspannung handelt es sich beispielsweise um eine Gleichspannung, welche geringer als 60 Volt ist. Daher muss der Roboter 10 auch bei einer industriellen Anwendung nicht zusätzlich durch einen Schutzleiter abgesichert werden, so dass der Roboter 10 elektrisch isoliert installiert werden kann. Somit kann der Roboter 10 besonders vorteilhaft als Antenne genutzt werden. Das geschilderte Prinzip der Erfassung der Annäherung kann auch auf andere Industrieroboter übertragen werden, die wenigstens eine mechanische beziehungsweise metallische Außenstruktur aufweisen und vorzugsweise mit Gleichspannungen von weniger als 60 Volt betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10162412 A1 [0005]
- DE 19609771 A1 [0008]
