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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Robotertechnik, insbesondere der kollaborativen Robotertechnik.
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In der fertigenden Industrie werden Roboter neben der Erhöhung der Produktivität speziell auch zur körperlichen Entlastung des in der Produktion tätigen Personals eingesetzt. Die fortschreitende Robotertechnik ermöglicht eine zunehmende Interaktion zwischen Mensch und Roboter. Anstelle der ehemals strikt getrennten Arbeitsbereiche soll der Roboter dem Menschen bei der Ausübung der durchzuführenden Produktionsschritte in einem gemeinsamen Arbeitsbereich assistieren. Aufgrund der damit verbundenen Gefahr von durch den Roboter ausgelösten Arbeitsunfällen werden geeignete Präventivmaßnahmen notwendig.
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Die Patentanmeldung
EP0518836A1 schlägt einen auf einem kapazitiven Wirkprinzip beruhenden Näherungssensor vor, der an einen Roboter angebracht werden kann und eine Annäherung eines Hindernisses, z. B. eines Objekts oder einer Person, an den Roboter detektieren kann. Sobald ein bestimmter Sicherheitsabstand unterschritten wird, kann der Roboter, bevor dieser gegen das Hindernis stößt, selbsttätig seine Bewegung anhalten.
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Die Patentanmeldung
DE 20 2009 009 334 U1 offenbart einen siebenachsigen Knickarmroboter, dessen Gelenkachsen in einer vorteilhaften Weise angeordnet sind, so dass der Roboter einen besonders großen Arbeitsbereich abdecken kann.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2008 063 081 A1 schlägt vor, bei einem mehrgliedrigen Roboter Näherungssensoren auf die Glieder zu verteilen und so eine Umgebung zu überwachen, die sich aus den Erfassungsbereichen mehrerer Sensoren zusammensetzt und sich entlang des Roboters erstreckt. Sensiert einer der Sensoren ein Objekt, das einen Schwellwert einer Messkeule überschreitet, so wird überprüft, ob das Objekt ein Glied des Roboters ist. Ist dies nicht der Fall, wird eine Bewegung des mehrgliedrigen Roboters verzögert.
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Zu diesem Zweck kann aus der Position der Glieder die Lage der Messkeulen relativ zum Sockel berechnet und die Unterschreitung eines Schwellwerts überprüft werden. Beruht jedoch die Entscheidung, als Objekt ein Glied des Roboters anzunehmen nur auf der Information über die Lage der Messkeule sowie einer durch das Objekt ausgelöste Unterschreitung des Schwellwerts, so kann nicht sicher erkannt werden, wenn nach Überschreitung des Schwellwerts ein weiteres Objekt zwischen dem sensierten Glied und dem den Sensor tragenden Glied eindringt. In diesem Fall bestünde Quetschgefahr.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine insbesondere auf dem kapazitiven Wirkprinzip beruhende Näherungssensorik für einen mehrgliedrigen Roboter vorzuschlagen, die einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht und einen Ausfall des Roboters aufgrund einer durch eine Selbstdetektion ausgelösten Sicherheitsmaßnahme meidet.
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Die Aufgabe wird durch einen Roboter sowie ein Verfahren wie im Folgenden beschrieben gelöst.
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Demnach betrifft die Erfindung einen Roboter mit wenigstens zwei durch ein Gelenk um eine Achse schwenkbar verbundenen Armelementen, wobei wenigstens ein erstes der Armelemente mehrere Näherungssensoren aufweist, und einer Steuereinheit, die mit den Näherungssensoren verbunden und eingerichtet ist, eine Bewegung der Armelemente wenigstens zu verzögern, wenn ein Ausgangssignal wenigstens eines der Näherungssensoren auf einen Fremdkörper in seinem Erfassungsbereich hinweist, wobei die Steuereinheit mit einem weiteren Sensor zum Erfassen der Stellung der Armelemente zueinander verbunden und eingerichtet ist, anhand der erfassten Stellung abzuschätzen, ob das zweite Armelement sich im Erfassungsbereich eines der Näherungssensoren befindet, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, eine Schwelle des Ausgangssignals, oberhalb derer die Steuereinheit die Anwesenheit eines Fremdkörpers im Erfassungsbereich des Näherungssensors erkennt, in Abhängigkeit der erfassten Stellung dynamisch zu verändern und die Schwelle auf einen hohen Wert zu setzen, wenn das zweite Armelement sich im Erfassungsbereich dieses Näherungssensors befindet, und auf einen niedrigen Wert zu setzen, wenn das zweite Armelement sich außerhalb des Erfassungsbereichs befindet.
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Dies ermöglicht der Steuereinheit, den Einfluss des zweiten Armelements auf das Ausgangssignal zu berücksichtigen und von dem eines Fremdkörpers zu unterscheiden.
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Zudem kann der Abstand, bis zu dem sich ein Fremdkörper dem Näherungssensor annähern kann, bevor die Steuereinheit auf den erkannten Fremdkörper reagiert, unabhängig von der Stellung der Armelemente zueinander im Wesentlichen konstant gehalten werden.
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Als Reaktion auf die Überschreitung der Schwelle durch das Ausgangssignal würde die Steuereinheit eine Sicherheitsfunktion auslösen, wie z. B. ein Verzögern der Bewegung der Armelemente ggf. bis zum Stillstand.
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Liegen in der Steuereinheit mehrere Schwellen vor, z. B. eine erste Schwelle, bei deren Überschreitung die Geschwindigkeit des Roboters zunächst auf einen niedrigen Wert begrenzt wird, und eine zweite Schwelle, bei deren Überschreitung der Roboter vollständig gestoppt würde, so können auch diese Schwellen unabhängig voneinander in Abhängigkeit der erfassten Stellung verändert werden.
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Zusätzlich kann das Überschreiten der Schwelle oder Schwellen optisch durch am Roboter angebrachte Lichtquellen oder akustisch durch integrierte Lautsprecher angezeigt werden. Die Stärke des Ausgangssignals zumindest eines der Näherungssensoren kann durch unterschiedlich schnelles Blinken der Lichtquelle oder durch eine unterschiedliche Lautstärke des akustischen Signals angezeigt werden.
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Je weiter das zweite Armelement in den Erfassungsbereich des am ersten Armelement befindlichen Näherungssensors eindringt, desto stärker wird dessen Ausgangssignal. Da der Zusammenhang zwischen der Stellung der Armelemente und dem Ausgangssignal bekannt ist, kann die Schwelle des Sensors oberhalb der für die jeweilige Stellung erwarteten Stärke des Ausgangssignals gesetzt werden. Einem ungewollten Auslösen einer Sicherheitsfunktion durch die Steuereinheit aufgrund einer Selbstdetektion kann so vorgebeugt werden; das Auslösen der Sicherheitsfunktion durch einen in den Erfassungsbereich eindringenden Fremdkörper bleibt dennoch möglich.
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Wenn sich das zweite Armelement aus dem Erfassungsbereich des am ersten Armelement befindlichen Näherungssensors herausbewegt, schwindet die Möglichkeit einer Selbstdetektion. Deshalb wird die Schwelle dieses Näherungssensors vorteilhafterweise wieder herabgesetzt, um im Falle des Eindringens eines Fremdkörpers in den Erfassungsbereich des Näherungssensors ein Auslösen der Sicherheitsfunktion bei ausreichend großem Abstand zu ermöglichen.
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Die Steuereinheit kann die Schwelle wenigstens eines der Näherungssensoren auf Unendlich setzen. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, ein Ansprechen des Näherungssensors in dessen gesamten Erfassungsbereich zu vermeiden und somit einer Selbstdetektion entgegenzuwirken.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, einen der Näherungssensoren auszuschalten, wenn sich das zweite Armelement im Erfassungsbereich dieses Sensors befindet. Dann wird kein Ausgangssignal mehr erzeugt, das die Steuereinheit mit einer Schwelle vergleichen könnte. Die Wirkung ist dieselbe wie im oben betrachten Fall, dass die Schwelle auf Unendlich gesetzt wird.
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Normalerweise wird das zweite Armelement im Falle einer Rotation des ersten Armelements um die Achse stets früher in den Erfassungsbereich eines an der Achse näher gelegenen Näherungssensors eindringen als in den Erfassungsbereich eines von der Achse entfernter gelegenen Näherungssensors. Daher ist ein durch das zweite Armelement hervorgerufenes Ausgangssignal des näher gelegenen Näherungssensors prinzipiell stärker als das Ausgangssignal des vom Gelenk weiter entfernt gelegenen Näherungssensors.
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Die Steuereinheit kann die Schwellen auf diesen Umstand anpassen, indem sie die Schwelle eines der Näherungssensoren abhängig von dem Ausgangssignal eines anderen, näher an der Achse gelegenen Näherungssensors festlegt.
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Vorzugsweise setzt die Steuereinheit die Schwelle des achsfernen Näherungssensors wenigstens gleich dem Ausgangssignal des anderen, achsnahen Näherungssensors. Der Abstand des achsnahen Näherungssensors vom zweiten Armelement wird in der Regel kleiner sein als der des achsfernen Näherungssensors, und folglich ist auch das Ausgangssignal des achsnahen Näherungssensors größer. Wenn die Schwelle für den achsfernen Näherungssensor mindestens so hoch gesetzt wird wie das Ausgangssignal des achsnahen Näherungssensors, kann ein Überschreiten der Schwelle des achsfernen Näherungssensors durch das zweite Armelement zuverlässig vermieden werden.
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Wird diese Schwelle dennoch überschritten, dann muss ein Fremdkörper die Ursache dafür sein.
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Schwelle eines achsnahen Näherungssensors wenigstens genauso hoch wie die Schwelle eines anderen, achsfernen Näherungssensors festzusetzen. Der Abstand des achsnahen Näherungssensors zum zweiten Armelement ist in der Regel kleiner als der des achsfernen. Wenn die Schwelle des achsfernen Näherungssensors passend gesetzt ist, um eine Reaktion auf das zweite Armelement zu verhindern, dann kann eine geeignete Schwelle für den achsnahen Näherungssensor nicht kleiner sein.
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Vorzugsweise sind die Schwellen von Näherungssensor zu Näherungssensor derart aufeinander abgestuft, dass die Differenz zwischen Ausgangssignal und Schwelle bei allen am ersten Armelement befindlichen Näherungssensoren (nahezu) gleich ist, so dass sie trotz unterschiedlichen Abstands zum zweiten Armelement gleich empfindlich auf das Eindringen eines Fremdkörpers in ihren Erfassungsbereich reagieren.
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Die Näherungssensoren können sich, wie schon erwähnt, vollständig um den Umfang des Armelements erstrecken, um einen um das Armelement geschlossenen Erfassungsbereich zu erhalten, der ein Erfassen eines sich annähernden Objekts aus allen Richtungen ermöglicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass wenigstens zwei sich in Längsrichtung des ersten Armelements erstreckende Zeilen von Näherungssensoren über den Umfang des ersten Armelements verteilt sind. Diese Zeilen können so platziert werden, dass, auch wenn das zweite Armelement sich im Erfassungsbereich von Näherungssensoren einer dieser Zeilen befindet, die Näherungssensoren der anderen Zeile durch das zweite Armelement unbeeinflusst bleiben.
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Umfasst das Armelement beispielsweise zwei Zeilen, so kann sich jeweils eine Zeile etwa hälftig über den Umfang des Armelements erstrecken, wobei eine Zeile dem zweiten Armelement zugewandt und die andere Zeile vom zweiten Armelement abgewandt sein kann. Das zweite Armelement kann dann nur in den Erfassungsbereich der Näherungssensoren einer Zeile gelangen. Daher genügt es, wenn die Schwelle von Näherungssensoren dieser Zeile erhöht wird. Die Schwellen der Näherungssensoren der vom zweiten Armelement abgewandten Zeile können somit unverändert niedrig eingestellt bleiben, um einen sich dem ersten Armelement von der abgewandten Seite her nähernden Fremdkörper fehlerfrei zu erfassen.
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Anstelle der Aufteilung der Näherungssensoren in zwei Zeilen kann auch eine höhere Anzahl von Zeilen gewählt werden. Die Erstreckung der Zeilen über den Umfang des ersten Armelements kann dann entsprechend angepasst werden.
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Wenn mehrere Zeilen von Näherungssensoren vorhanden sind, dann sollten der oben erwähnte achsnahe Näherungssensor und der achsferne Näherungssensor einer gleichen Zeile an einer dem zweiten Armelement zugewandten Seite des ersten Armelements angehören.
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Das erste Armelement kann um eine Längsachse drehbar sein. Die Längsachse kann senkrecht zur Achse des Gelenks verlaufen. Beispielsweise ist das Gelenk als Zweiachs- oder als Kugelgelenk ausgebildet, das mit dem ersten Armelement verbunden ist und eine Drehung des ersten Armelements um beide Achsen ermöglicht. Daher können je nach Drehstellung des ersten Armelements verschiedene Zeilen von Näherungssensoren dem zweiten Armelement zugewandt sein.
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Vorteilhafterweise kann auch das zweite Armelement mehrere Näherungssensoren aufweisen. Die Anordnung der Näherungssensoren kann analog zu den zuvor am ersten Armelement erläuterten Möglichkeiten erfolgen.
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Da sich bei einer Annäherung der Armelemente aneinander die Näherungssensoren beider Armelemente das jeweils andere Armelement erfassen können, kann die Steuereinheit eingerichtet sein, zusammen mit der Schwelle des wenigstens einen Näherungssensors des ersten Armelements die Schwelle wenigstens eines Näherungssensors des zweiten Armelements hochzusetzen.
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Als der weitere Sensor kann ein im Gelenk verbauter Drehgeber, eine externe Kamera oder ein Näherungssensor des zweiten Armelements verwendet werden. Insbesondere wenn die Näherungssensoren kapazitive Sensoren sind, kann der Näherungssensor des zweiten Armelements durch ein elektrisches Wechselfeld eines benachbarten Näherungssensors des ersten Armelements erfassen bzw. von diesem beeinflusst werden.
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Die Näherungssensoren beruhen vorzugsweise auf einem kapazitiven Wirkprinzip, durch das ein Eindringen eines Fremdkörpers in den Erfassungsbereich eines Näherungssensors durch eine Kapazitätsänderung erkannt wird. Alternativ können andere aus dem Stand der Technik bekannte Näherungssensoren verwendet werden, wie z. B. induktive Sensoren oder Ultraschallsensoren.
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Vorzugsweise kann die Steuereinheit die empfangenen Signale plausibilisieren, indem die zu dem ermittelten Knickwinkel erwarteten Ausgangssignalen der Näherungssensoren mit den tatsächlichen Ausgangssignalen verglichen werden. Erzeugt beispielsweise ein Näherungssensor kein Ausgangssignal oder ein unerwartet schwaches Ausgangssignal, obwohl ein Armelement sich in dessen Erfassungsbereich befindet, so kann auf einen Defekt des Näherungssensors geschlossen werden.
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Um abzuschätzen, ob sich das zweite Armelement im Erfassungsbereich eines der Näherungssensoren befindet, kann die Steuereinheit einen Vergleich oder eine Berechnung anstellen, wie im Ausführungsbeispiel unten erläutert.
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Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Roboters mit wenigstens zwei durch ein Gelenk um eine Achse schwenkbar verbundenen Armelementen, wobei wenigstens ein erstes der Armelemente mehrere Näherungssensoren aufweist, und einem weiteren Sensor zum Erfassen der Stellung der Armelemente zueinander, mit den Schritten
- a) Erfassen eines Objekts durch einen der Näherungssensoren;
- b) Entscheiden anhand eines Ausgangssignals des weiteren Sensors, ob das erfasste Objekt das zweite Armelement ist und, wenn nicht,
- c) Verzögern einer Bewegung des Roboters.
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Das Verfahren kann durch die Steuereinheit ausgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 einen mit Näherungssensoren ausgerüsteten Roboter,
- 2 einen Näherungssensor gemäß erster Ausführungsform,
- 3 einen Näherungssensor gemäß zweiter Ausführungsform,
- 4 einen Querschnitt durch zwei Armelemente des Roboters, und
- 5 einen Querschnitt durch zwei Armelemente des Roboters in einer zu 4 veränderten Stellung.
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1 zeigt beispielhaft einen Aufbau eines mehrgliedrigen Roboters 1 in schematischer Ansicht. Der Roboter 1 umfasst einen Sockel 2 zur Befestigung an einem beliebigen Ort. Ein unteres Armelement 4 ist mittels eines Winkelstücks 3 drehbar mit dem Sockel 2 verbunden. Ein oberes Armelement 6 ist mittels eines Winkelstücks 5 drehbar mit dem unteren Armelement 4 verbunden. Ein Instrument 8 ist mittels eines Winkelstücks 7 drehbar mit dem oberen Armelement verbunden.
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Das Winkelstück 5 weist zwei Gelenke auf mit zwei zueinander senkrecht stehenden Rotationsachsen 9 und 10. Somit ist das obere Armelement 6 gegenüber dem unteren Armelement 4 um die in der gezeigten Konfiguration des Roboters 1 auf der Zeichnungsebene senkrecht stehende Rotationsachse 9 drehbar und das obere Armelement 6 ist um sich selber um die Achse 10 drehbar.
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Die Winkelstücke 3 und 7 sind analog zu Winkelstück 5 aufgebaut.
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Die beiden Armelemente 4 und 6 können beispielsweise in 1 gezeigte geknickte Stellung einnehmen. Die Stellung kann mittels eines Knickwinkels α angegeben werden, unter dem sich eine Längsachse 11 des unteren Armelements 4 und eine mit der Rotationsachse 10 zusammenfallende Längsachse des oberen Armelements 6 kreuzen. Beide werden im Folgenden unterschiedslos als Achse 10 bezeichnet. Das Ausmaß der Drehbewegung um die Achse 10 kann durch einen Drehwinkel β angegeben werden, der ab einer frei definierbaren Position des oberen Armelements 6 gemessen wird.
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Der Knickwinkel α und der Drehwinkel β können jeweils von einem Sensor 15 erfasst werden. Der Sensor 15 kann als Drehgeber ausgebildet sein und sendet den ermittelten Winkel an eine im Sockel 2 verbaute Steuereinheit 16.
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Die Drehbewegungen um die Achsen 9 und 10 können durch im Winkelstück 5 verbaute elektrische Antriebe (nicht gezeigt) ausgeführt werden, die von der Steuereinheit 16 ansteuert werden können. Alternativ können die Antriebe von einer separaten Steuereinheit angesteuert werden. Die beiden Rotationsachsen der anderen beiden Winkelstücke 3 und 7 können ebenfalls elektromotorisch angetrieben werden. Somit kann der Roboter 1 in sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden bewegt werden.
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Das untere und das obere Armelement 4 und 6 weisen mehrere entlang ihrer Achsen 11 bzw. 10 in einer Zeile 18 bzw. 17 gestaffelt angeordnete Näherungssensoren 12 auf. Die Näherungssensoren 12 sind zur gegenseitigen Unterscheidung fortlaufend von 12.1 bis 12.n für das obere Armelement 6 und von 12.p+1 bis 12.q für das untere Armelement 4 durchnummeriert. Sie können unterschiedlich ausgeführt sein. Einer in 2 gezeigten ersten Ausführungsform zufolge sind die Näherungssensoren 12 ringförmig und erstrecken sich jeweils um das sie tragende Armelement 4 bzw. 6 herum, um Objekte rings um das betreffende Armelement herum erfassen zu können. 2 zeigt einen Näherungssensor 12 in Form eines Kreisrings, allgemein ist der Querschnitt der Näherungssensoren 12 durch den Querschnitt der Armelemente 4, 6 vorgegeben, an denen sie angebracht sind. Ein solcher ringförmiger Näherungssensor kann geschlitzt sein, um seine nachträgliche Anbringung an einem der Armelemente 4, 6 zu erleichtern.
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Dringt ein Objekt 19 in den Erfassungsbereich 14 des Näherungssensors 12 ein, dann spricht der Näherungssensor 12 an und gibt ein Ausgangssignal über ein mit dem Näherungssensor verbundenes Kabel 13 aus. Das Ausgangssignal ist umso größer bzw. stärker, je weiter das Objekt 19 in den Erfassungsbereich 14 eindringt. Das Ausgangssignal ist somit ein Maß, wie weit sich das Objekt 19 dem Näherungssensor 12 angenähert hat.
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Der Erfassungsbereich
14 des Näherungssensors
12 erstreckt sich um dessen äußeren Umfang radial nach außen. Die Funktionsweise des Näherungssensors
12 beruht vorzugsweise auf einem kapazitiven Wirkprinzip und kann beispielsweise dem Funktionsprinzip des aus der Patentanmeldung
EP0518836A1 bekannten Näherungssensors gleichen.
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Die Steuereinheit 16 ist mit jedem Näherungssensor 12 über dessen Kabel 13 verbunden und empfängt die Ausgangssignale der Näherungssensoren 12. Sie vergleicht die einzelnen Ausgangssignale mit einer Schwelle. Dabei kann jedem Näherungssensor 12 eine individuelle Schwelle zugewiesen sein. Übersteigt das Ausgangssignal eines Näherungssensors 12 seine ihm zugewiesene Schwelle, so löst die Steuereinheit 16 eine Sicherheitsfunktion aus und verzögert eine Bewegung der Armelemente 4 und 6 beispielsweise bis zum Stillstand.
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Wie aus 1 ersichtlich, kann der Roboter 1 eine geknickte Stellung einnehmen, bei der das untere Armelement 4 in den Erfassungsbereich 14 zumindest des zum Winkelstück 5 nächstbenachbarten Näherungssensors 12.1 des oberen Armelements 6 gerät bzw. das obere Armelement 6 in den Erfassungsbereich 14 zumindest des Näherungssensors 12.n+1 am unteren Armelement 4 gerät. Dieser Umstand ist z. B. auch durch 4 verdeutlicht. Hier erfassen der Näherungssensor 12.1 der Zeile 17.1 und der Näherungssensor 12.p+3 der Zeile 18.2 das jeweils gegenüberliegende Armelement 4 bzw. 6. Folglich liegt eine Selbstdetektion vor, bei der anstelle eines tatsächlichen Hindernisses des Roboters 1 eigene Armelemente 4 bzw. 6 detektiert werden.
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Gemäß einer einfachen Variante sind in einer Look-Up-Tabelle sämtliche Knickwinkel abgelegt, bei denen sich ein Armelement 4 oder 6 im Erfassungsbereich 14 zumindest eines Näherungssensors 12 des anderen Armelements 6 oder 4 befindet. Durch Vergleich des erfassten Knickwinkels α mit den vorgegebenen Werten kann die Steuereinheit 16 somit ein Eindringen des Armelements 4 oder 6 in den Erfassungsbereich 14 eines der Näherungssensoren 12 feststellen.
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Im einfachsten Fall schaltet die Steuereinheit 16 einen Näherungssensor, z.B. 12.1, in dessen Erfassungsbereich ein Armelement 4 eingedrungen ist, so lange aus, bis das Armelement 4 den Erfassungsbereich wieder verlassen hat. Alternativ kann für einen solchen Näherungssensor die Schwelle auf Unendlich gesetzt werden. Im einen Fall liefert der Näherungssensor 12.1 kein Ausgangssignal mehr, im anderen Fall wird das Ausgangssignal des Näherungssensors 12.1 von der Steuereinheit 16 ignoriert. In beiden Fällen kann die Steuereinheit 16 nicht reagieren, falls zusätzlich zu dem Armelement 4 noch ein Fremdkörper in den Erfassungsbereich des Näherungssensors 12.1 eindringt.
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Um die Erfassung eines Fremdkörpers 19 weiterhin zu ermöglichen, auch wenn sich im Erfassungsbereich des Näherungssensors 12.1 bereits das Armelement 4 befindet, legt die Steuereinheit 16 einer bevorzugten Weiterentwicklung zufolge die Schwelle dynamisch anhand des Knickwinkels α fest. Zu diesem Zweck sind in der Look-Up-Tabelle zu jedem Knickwinkel α passende Schwellen für sämtliche Näherungssensoren 12 abgelegt, die so bemessen sind, dass keine der Schwellen durch die von dem in den Erfassungsbereich der Näherungssensoren 12 eingedrungenen Armelement 4 oder 6 verursachten Ausgangssignale überschritten wird.
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Die in der Look-Up-Tabelle gespeicherten Schwellen können z.B. erhalten werden, indem in einer Initialisierungsbetriebsphase des Roboters 1 die Ausgangssignale aller Näherungssensoren 12 in Abwesenheit von Fremdkörpern für jeden möglichen Knickwinkel α gemessen und zuzüglich eines Sicherheitszuschlags in der Lookup-Tabelle als Schwelle für den betreffenden Knickwinkel α gespeichert werden.
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Da gleichzeitig mit dem Eindringen des Armelelements 4 in den Erfassungsbereich von Näherungssensoren 12.1, 12.2... des Armelementes 6 letzteres auch in den Erfassungsbereich der Näherungssensoren 12.n+1, 12.n+2... eindringt, variiert die Steuereinheit die Schwellen dieser Näherungssensoren 12.n+1, 12.n+2... jeweils zusammen mit denen des Armelelements 6.
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Alternativ können die in der Lookup-Tabelle gespeicherten Schwellen auch berechnet werden, indem die Steuereinheit 16 die sich für einen gegebenen Knickwinkel α ergebende räumliche Erstreckung des Erfassungsbereichs 14 eines jeden Näherungssensors 12 ermittelt, überprüft, ob eine Überschneidung mit der Geometrie des jeweils anderen Armelements 6 oder 4 vorliegt und ggf. das aus der Überschneidung resultierende Ausgangssignal abschätzt. Zu diesem Zweck sind die Erfassungsbereiche 14 der Näherungssensoren 12 sowie die Geometrie der Armelemente 4 und 6 der Steuereinheit 16 bekannt.
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Eine entsprechende Berechnung kann auch in Echtzeit für den jeweils aktuellen Knickwinkel α erfolgen; in diesem Fall wird die Lookup-Tabelle nicht benötigt.
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Anhand von 1 ist leicht zu erkennen, dass ein nahe an der Achse 9 gelegener Näherungssensor wie 12.1 oder 12.n+1 durch das jeweils gegenüberliegende Armelement 4 bzw. 6 stärker beeinflusst ist als ein weiter von der Achse entfernter Näherungssensor wie etwa 12.2 bzw. 12.n+2. Da demnach der Beitrag z.B. des Armelements 4 zum Ausgangssignal des Sensors 12.2 kleiner ist als zu dem des Sensors 12.1, sollte die Schwelle des Sensors 12.2, um seine Empfindlichkeit gegen Fremdkörper nicht unnötig zu beeinträchtigen, nicht größer als das Ausgangssignal des Näherungssensors 12.1 sein. Umgekehrt sollte unter demselben Gesichtspunkt die Schwelle des Näherungssensors 12.1 nicht unter der des Näherungssensors 12.2 liegen.
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Einer in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform zufolge erstreckt sich der Näherungssensor 12 nur über einen Bruchteil, hier die Hälfte, des Umfangs des ihn tragenden Armelements 4 oder 6. Dies erlaubt es, mehrere Zeilen 17.1, 17.2 bzw. 18.1, 18.2 von Näherungssensoren über den Umfang eines Armelements 6 bzw. 4 zu verteilen, so dass sich der Erfassungsbereich der Näherungssensoren einer Zeile jeweils über einen Teil des Umfangs des diese Zeile tragenden Armelements erstreckt.
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In 4 erstrecken sich entlang eines rechteckförmigen Querschnittprofils des oberen Armelements 6 zwei gleich große, halbschalenförmige Näherungssensoren 12.1 und 12.n+1, so dass ihre sich jeweils über den halben Umfang des Armelements 6 erstreckenden Erfassungsbereiche 14 gemeinsam den gesamten Umfang des oberen Armelements 6 abdecken.
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Demgemäß wird die Zeile 17.1 aus nebeneinandergereihten, halbschalenförmigen Näherungssensoren 12.1 bis 12.n gebildet, der eine weitere Zeile 17.2 gegenüberliegt, die aus nebeneinandergereihten, halbschalenförmigen Näherungssensoren 12.n+1 bis 12.m gebildet wird.
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Analog dazu weist das untere Armelement 4 eine Zeile 18.1 mit halbschalenförmigen und in Längsrichtung des unteren Armelements 4 gestaffelt angeordneten Näherungssensoren 12.p+1 bis 12.q auf, der eine weitere Zeile 18.2 mit halbschalenförmigen und in Längsrichtung des unteren Armelements 4 gestaffelt angeordneten Näherungssensoren 12.q+1 bis 12.r gegenüberliegt. Die Zeilen 17.1, 17.2, 18.1 und 18.2 reichen jeweils von einem zum anderen Ende des Armelements 4 bzw. 6.
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Wie in 4 gezeigt, sind die Näherungssensoren 12 in dem jeweiligen Armelement 4 bzw. 6 integriert. Alternativ könnten die Näherungssensoren 12 außen an den Armelementen 4 bzw. 6 angebracht sein.
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Die Näherungssensoren der Zeilen 17.2 und 18.1 sind an ihren Armelementen 6 bzw. 4 an der vom jeweils anderen Armelement abgewandten Seite angeordnet und daher nicht in der Lage, das andere Armelement zu erfassen. Ihre Schwelle kann daher von der Steuereinheit 16 konstant auf einem Minimalwert belassen werden, um höchstmögliche Empfindlichkeit gegen Fremdkörper zu gewährleisten. Die Näherungssensoren der Zeilen 17.1 und 18.2 hingegen sind dem jeweils andere Armelement 4 bzw. 6 zugewandt; ihre Schwellen werden von der Steuereinheit 16 wie oben mit Bezug auf die Ausgestaltung der 1 und 2 erläutert in Abhängigkeit vom Knickwinkel α angepasst.
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Wenn die Steuereinheit 16 das Armelement 6 um 180° um die Achse 10 rotiert, tauschen die Zeilen 17.1 und 17.2 die Plätze; dementsprechend werden dann die Schwellen der Zeile 17.1 auf Minimum gesetzt und die der Zeile 17.2 in Abhängigkeit vom Knickwinkel α gesteuert.
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Im Falle einer Drehung des Armelements 6 um 90° um die Achse 10 sind beide Zeilen 17.1, 17.2 in der Lage, das Armelement 4 zu erfassen, allerdings ist das Ausmaß, in dem die Ausgangssignale ihrer Näherungssensoren durch das Armelement 4 beeinflusst werden, anders als im in 4 dargestellten Fall. Deswegen verwendet die Steuereinheit 16, falls das Armelement 6 um die Achse 10 drehbar ist, zweckmäßigerweise zum Steuern der Schwellen der Näherungssensoren eine Lookup-Tabelle, die diese Schwellen in Abhängigkeit der Winkel α und β spezifiziert und die wie oben mit Bezug auf die Ausgestaltung der 1 und 2 beschrieben erhalten sein kann.
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Um sicherzustellen, dass immer eine Zeile von Näherungssensoren existiert, die durch die Annäherung des jeweils anderen Armelements unbeeinflusst bleibt, müssen wenigstens drei Zeilen von Näherungssensoren um ein Armelement herum verteilt sein. 5 zeigt eine Variante mit vier Zeilen 17.1 - 17.4 bzw. 18.1 - 18.4 an jedem Armelement 6 bzw. 4. Hier ist eine vom anderen Armelement 4 bzw. 6 ungestörte Fremdkörpererfassung jeweils auf der Hälfte des Umfangs eines jeden Armelements möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Roboter
- 2
- Sockel
- 3
- Winkelstück
- 4
- Unteres Armelement
- 5
- Winkelstück
- 6
- Oberes Armelement
- 7
- Winkelstück
- 8
- Instrument
- 9
- Achse
- 10
- Achse
- 11
- Längsachse
- 12
- Näherungssensor
- 13
- Kabel
- 14
- Erfassungsbereich
- 15
- Sensor
- 16
- Steuereinheit
- 17
- Zeile
- 18
- Zeile
- 19
- Objekt
