DE102014200870A1

DE102014200870A1 - Vorrichtung zur Führung von zumindest einer Leitung eines Gelenkarmroboters sowie Gelenkarmroboter

Info

Publication number: DE102014200870A1
Application number: DE201410200870
Authority: DE
Inventors: Claude Burlot
Original assignee: Leoni Kabel Holding GmbH
Current assignee: Bizlink Industry Germany GmbH
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-07-24
Also published as: FR3001177B1; FR3001177A1

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Gelenkroboter (1) und insbesondere eine Vorrichtung (10) zum Führen und Zurückstellen mindestens einer flexiblen Leitung eines Gelenkroboters (1) mit einer Vielzahl von Segmenten (11, 12, 13), teleskopierbar zwischen einer ersten ausgeklappten Position und einer zweiten eingeklappten Position angeordnet sind, und mit einen Rückstellmechanismus, um eine Rückstellkraft in die zweite eingeklappte Position auszuüben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen und Zurückstellen von zumindest einer Leitung eines Gelenkarmroboters, insbesondere zur Führung eines Schlauchpaketes eines Medizin- oder Industrieroboters mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Gelenkarmroboter mit einer solchen Vorrichtung.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 1 848 571 B1 zu entnehmen.
Bei den heute üblicherweise eingesetzten mehrachsigen Industrierobotern werden dem vordersten, auch als Roboterhand bezeichneten Roboterarm mehrere Einzelleitungen zur Versorgung eines an der Roboterhand angeordneten Werkzeugs, beispielsweise ein Schweißwerkzeug, zugeführt. Die Einzelleitungen sind beispielsweise elektrische Versorgungskabel, elektrische Steuerkabel, Datenkabel sowie Medienführungen für Gase oder Flüssigkeiten. Diese Einzelleitungen werden in einem so genannten Schlauchpaket zusammengefasst und sind in einem schlauchförmigen Schutzmantel gehalten. Ein derartiges Schlauchpaket ist zum einen wegen der Relativbewegungen der Roboterarme zueinander und insbesondere auch wegen der oftmals widrigen Umgebungsbedingungen (hohe Temperaturen, aggressive Medien, wie Schweißspritzer, etc.) hohen Belastungen ausgesetzt.
Um eine zuverlässige Führung des Schlauchpakets zu ermöglichen, wird üblicherweise eine Leitungsführungseinrichtung eingesetzt, welche derart beschaffen ist, dass eine Ausgleichsbewegung des Schlauchpakets bei einer Relativbewegung zwischen zwei Roboterarmen ermöglicht ist. Eine Leitungsführungseinrichtung bei einem Industrieroboter ist beispielsweise aus der DE 201 13 742 U1 zu entnehmen.
In der EP 1 848 571 B1 ist eine Vorrichtung beschrieben, welche eine Führungseinheit sowie ein Schieberelement aufweist, welches relativ zu der Führungseinheit an dieser mittels Stangen zwischen einer ersten und einer zweiten Position längsverschieblich gelagert ist. Weiterhin ist eine als Schraubenfeder ausgebildete elastische Rückstelleinheit vorgesehen, welche eine elastische Rückstellkraft auf das Schieberelement ausübt.
Bei derartigen Vorrichtungen wird häufig aus Platzgründen eine möglichst kleinbauende Ausgestaltung angestrebt, gleichzeitig sollen jedoch möglichst große Ausgleichslängen verwirklicht werden. Um diese zunächst gegenläufigen Anforderungen zu verwirklichen, ist beispielsweise aus der WO2009/068239 A1 oder der WO2005/123350 A1 jeweils eine Vorrichtung zu entnehmen, bei der das gesamte Schlauchpaket innerhalb der Vorrichtung umgelenkt wird.
Bei kleinbauenden Vorrichtungen besteht weiterhin das Problem, dass eine ausreichend hohe Rückstellkraft insbesondere auch in der eingefahrenen Endposition ausgeübt werden muss, um ein sicheres Zurückholen des Schlauchpaktes in diese eingefahrene Endposition zu gewährleisten. Dies bedeutet, dass die elastische Rückstelleinheit mit einer vergleichsweise großen Vorspannung eingestellt werden muss, welche die Rückstellkraft an der eingefahrenen Position bestimmt. Die elastischen Rückstelleinheiten, wie beispielsweise Schraubenfedern, unterliegen dabei typischerweise dem Hookeschen Gesetz, die Rückstellkraft steigt daher linear mit dem Weg. Bei kurzen Baulängen und einer erforderlichen hohen Rückstellkraft in der eingefahrenen Position bedeutet dies, dass eine vergleichsweise hohe Federhärte erforderlich ist, was dazu führt, dass die Kraft beim Ausfahren in unerwünschter Weise sehr stark zunimmt.
Derartige Gelenkarmroboter werden neben einem Einsatz in industriellen Produktionsanlagen insbesondere auch als sogenannte Medizinroboter in medizinischen Anwendungen eingesetzt. Insbesondere werden sie hierbei für Diagnose- oder Therapieanwendungen eingesetzt. Hierzu ist üblicherweise am Gelenkarmroboter, insbesondere an dessen Roboterhand ein medizinisches Gerät angeordnet. Bei diesem kann es sich beispielsweise um einen Patiententisch handeln und über den Gelenkarmroboter wird der Patient in eine gewünschte Diagnose- oder Behandlungsposition verfahren. Alternativ ist das medizinische Gerät selbst als Diagnose- oder Therapieeinheit ausgebildet und umfasst hierzu üblicherweise eine insbesondere bogenförmige Trägereinheit, an der an gegenüberliegenden Positionen eine Strahlungsquelle und ein Detektor angeordnet sind. Bei derartigen Medizinrobotern, insbesondere mit bildgebenden Detektoreinheiten, besteht zum Einen die Anforderung einer höchstgenauen Positionierung. Zum Anderen ist erforderlich, dass beispielsweise während einer Bildaufnahme die relative Position zwischen Strahlungsquelle und Detektor möglichst vibrationsfrei beibehalten wird, um geeignete qualitativ hochwertige Diagnosebilder zu ermöglichen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Führung von zumindest einer Leitung eines Gelenkarmroboters, insbesondere eines Schlauchpakets sowie einen solchen Gelenkarmroboter, insbesondere Medizinroboter, anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Vorrichtung zum Führen und Zurückstellung mindestens einer flexiblen Leitung, insbesondere eines Schlauchpakets umfasst hierzu eine Rückstellmechanik, die zumindest ein Rückstellelement zur Ausübung einer Rückstellkraft auf die Leitung sowie ein Befestigungselement zur Befestigung der Leitung an der Vorrichtung aufweist. Über das Rückstellelement wird allgemein die Leitung aus einer ausgefahrenen ersten Position in eine zweite eingefahrene Position versetzt. Die Rückstellmechanik weist nunmehr mehrere Segmente auf, nämlich ein Basissegment, über das die Vorrichtung am Roboter befestigt wird, welches also relativ zum Roboter bei einer Bewegung des Schlauchpakets in einer Auszugsrichtung ortsfest am Roboter gehalten ist. Ergänzend ist zumindest ein Auszugselement angeordnet, welches relativ zum Basissegment teleskopierbar in Auszugsrichtung zwischen der ersten ausgefahrenen Position und der zweiten eingefahrenen Position befestigt ist.
Durch die teleskopartige Ausgestaltung mehrerer Segmente wird in besonders vorteilhafter Weise der Platzbedarf der Vorrichtung für die zweite eingefahrene Position gering gehalten. Gleichzeitig ist eine zuverlässige Führung des Schlauchpakets gewährleistet.
In einer besonders zweckdienlichen Ausgestaltung sind dabei zumindest zwei Auszugssegmente angeordnet, die sowohl relativ zueinander als auch relativ zum Basissegment teleskopierbar zwischen den beiden Positionen angeordnet sind. Die Vorrichtung ist daher mehrfach teleskopierbar, weist also mehrere Teleskoparme auf, so dass zum Einen bei einer vergleichsweise großen Auszugslänge ein sehr kompaktes Baumaß erreicht wird.
Darüber hinaus bietet dieses Ausgestaltung den besonderen Vorteil, dass – bei der Verwendung von elastischen Rückstellelementen mit definierter Federhärte – durch geeignete Kombination von mehreren elastischen Rückstellelementen eine geeignete resultierende elastische Rückstellkraft eingestellt werden kann, welche zum Einen in der eingefahrenen Position eine ausreichende Rückstellkraft ausübt und zum Anderen auch in der ausgefahrenen Position keine zu hohe unerwünschte Rückstellkraft ausübt.
Zweckdienlicherweise ist das Rückstellelement dabei als ein elastisches Federelement, beispielsweise eine Schraubenfeder oder ein elastisches Seil oder Band ausgebildet.
In besonders zweckdienlicher Weise umfasst die Rückstellmechanik mehrere in Reihe angeordnete Rückstellelemente, insbesondere elastische Rückstellelemente. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest ein Rückstellelement zwei aufeinander folgende Segmente miteinander verbindet. Die mehreren Rückstellelemente sind daher in Reihe derart angeordnet, dass ein jeweiliges Rückstellelement jeweils ein Segment-Paar miteinander koppelt. D.h. das eine Ende des Rückstellelements ist an dem einen Segment und das andere Ende an dem anderen Segment angeordnet. Hierdurch wird in besonders effizienter Weise erreicht, dass die Länge einer jeweiligen Feder gering gehalten ist, da eine jede Feder nur einer reduzierten Auszugslänge des jeweiligen Auszugssegments folgen muss. Dadurch wird – im Vergleich bei der Anordnung nur einer einzigen Feder, eine unerwünscht hohe Variation der Rückstellkraft über die Auszugslänge vermieden.
Die Federhärten der in Reihe geschalteten Rückstellelemente sind in einer ersten Variante gleich. Bevorzugt jedoch unterschiedlich, um beispielsweise ein definiertes Ein- und Ausfahren der Segmente in einer gewünschten Reihenfolge zu gewährleisten.
In bevorzugter Ausgestaltung ist zumindest ein Dämpfungselement zwischen zwei Segmenten wirksam, um beim Ausziehen oder Einfahren der Segmente in eine Endposition ein die Bewegung zu dämpfen, um ein abruptes Stoppen sowie ein hartes Anschlagen der einzelnen Segmente zu verhindern. Bei der Verwendung beispielsweise von elastischen Rückstellelementen tritt nämlich teilweise das Problem auf, dass beim Einfahren in die vollständig eingefahrene oder auch vollständig ausgefahrene Position Stoppkräfte in die Vorrichtung eingeleitet und auf das Schlauchpaket und die darin befindlichen Leitungen und Kabel übertragen werden, die zu unerwünschten Vibrationen führen können, die zum Beispiel die Daten- oder Bildübertragung negativ beeinflussen können. In diesen Endpositionen sind daher zweckdienlicherweise Dämpfungselemente, beispielsweise Stoßdämpfer oder Federelemente angeordnet, die ein ruckfreies, weiches Abbremsen der Bewegung gewährleisten. Hierdurch wird insbesondere bei medizinischen bildgebenden Systemen eine hohe Bildqualität gewährleistet.
In alternativer Ausgestaltung zu dem elastischen Rückstellelement umfasst die Rückstellmechanik als Rückstellelement zumindest einen Stellmotor. Dieser ist vorzugsweise als Elektromotor, insbesondere Schrittmotor ausgebildet. Alternativ hierzu besteht aber auch die Möglichkeit des Einsatzes von fluidgesteuerten Aktoren. Der zumindest eine Stellmotor ist dabei über einen Stellmechanismus, beispielsweise ein Seilmechanismus oder ein Zahnradmechanismus mit Zahnstange mit zumindest einem der Elemente verbunden.
Mit einem derartigen Stellmotor ist insbesondere bei dem Einsatz als medizinischer Roboter der besondere Vorteil verbunden, dass die Führung des Schlauchpakets rückstoß- und rückwirkungsfrei vorgenommen werden kann. Hierunter wird verstanden, dass die Führung und Zurückführung des Schlauchpakets keine störenden Einflüsse beispielsweise durch Vibrationen auf die Positionierung eines medizinischen Geräts an der Roboterhand zeigt.
Während bei den elastischen Rückstellelementen die Zurückholung und Ausübung der Rückstellkraft aufgrund der Elastizität automatisch und damit passiv erfolgt, ist vorzugsweise bei dem Einsatz eines Stellmotors eine aktive Ansteuerung vorgesehen, über die die Position des Schlauchpakets zwischen der eingezogenen und der ausgefahrenen Position aktiv gesteuert wird. Zweckdienlicherweise ist dabei eine Steuereinheit vorgesehen, die in Abhängigkeit einer aktuellen Ansteuerung des Gelenkarmroboters den oder die Stellmotoren steuert. Insbesondere wird dabei die Position des Schlauchpakets zwischen der ausgefahrenen und der eingefahrenen Position in Abhängigkeit einer jeweiligen Position der Roboterhand gesteuert. Es wird also anhand der aktuellen Position der Roboterhand berechnet, welche Auszugslänge für diese aktuelle Position erforderlich ist. Diese wird dann über die Steuereinheit und der entsprechenden Ansteuerung des Stellmotors eingestellt.
Diese Ausführungsvariante mit der Anordnung eines oder mehrerer Stellmotoren insbesondere in Kombination mit der speziellen Steuerung in Abhängigkeit der aktuellen Bewegung des Gelenkarmroboters wird als eigenständig erfinderisches Konzept angesehen, welches sich auch unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Rückstellmechanik des Anspruchs 1, insbesondere unabhängig von der Merkmalskombination des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1, verwirklichen lässt. Die Einreichung einer Teilanmeldung auf dieses Konzept bleibt daher vorbehalten.
Zweckdienlicherweise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass bei der Variante mit zumindest drei Segmenten diese Segmente definiert relativ zueinander verfahren, insbesondere sukzessive. Beim sukzessiven Einfahren oder Ausfahren wird daher zweckdienlicherweise zunächst ein erstes Segment verfahren und erst wenn dieses vorher definierte Position erreicht hat, verfährt das weitere Segment. Beim Ausfahren wird dabei vorzugsweise zunächst das dem Basissegment benachbarte Segment ausgefahren und erst anschließend das danach folgende Segment.
Hierzu sind elastische Rückstellelemente mit unterschiedlichen Federhärten oder mehrere Stellmotoren vorgesehen, die entsprechend angesteuert werden. Auch eine Kombination eines Stellmotors zum Ausfahren eines ersten Segment-Paares mit einem zwischen einem zweiten Segment-Paar wirksamen elastischen Rückstellelement (Feder) ist als Variante vorgesehen. Eine Hauptbewegung (zwischen Basissegement und erstem Auszugssegment) wird dabei vorzugsweise vom Stellmotor ausgeübt.
Um die teleskopischen Segmente bei ihrem Verfahrweg zuverlässig zu führen, ist vorzugsweise jedes der Segmente mit mindestens einem benachbarten Segment durch eine Einheit aus Führung und Schieberelement verbunden werden, die eine relative Verschiebung zwischen den Segmenten gemäß einem durch die Führung definierten Weg ermöglicht.
Die Segmente sind gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung gekrümmt, um einen ebenfalls gekrümmten Weg zwischen der ersten und der zweiten Position zu folgen. Hierdurch ist es dem Befestigungselement ermöglicht, der Bewegung der flexiblen Leitung über einen größeren Bewegungsbereich des Gelenkroboters bei geringem Platzbedarf zu folgen.
Um eine Torsion der flexiblen Leitung zu verhindern und auch um zu verhindern, dass Bewegungen des Gelenkroboters gestört werden, ist das Befestigungselement dreh- oder kippbeweglich angeordnet. Dadurch ist beispielsweise eine Rotation der flexiblen Leitung um eine Längsachse parallel und / oder senkrecht zur Auszugsrichtung ermöglicht. Um die Biegekräfte zu begrenzen, umfasst das Befestigungselement bevorzugt ein Gelenk, insbesondere ein Kugelgelenk, das eine Neigung der flexiblen Leitung in Bezug auf das Schieberelement beispielsweise seitlich zur oder auch in Richtung der Auszugsrichtung ermöglicht. Bevorzugt ist eine Arretierung des Befestigungselements in einer definierten, verkippten oder verdrehten Position erlaubt.
Das Befestigungselement ist bevorzugt als Befestigungsschelle mit insbesondere zwei Schellenhälften ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Rückstellmechanik an einer Montageeinheit befestigt, wobei über die Montageeinheit die Rückstellmechanik am Gelenkarmroboter im Betrieb befestigt ist. Insbesondere ist die Rückstellmechanik dabei typischerweise im Bereich der sogenannten Achse 3 auf einem Roboterarm befestigt. Die Montageeinheit weist zum Einen ein Montageelement zur Fixierung am Gelenkarmroboter sowie weiterhin ein Drehgelenk auf, an dem das Basiselement der Rückstellmechanik befestigt ist und zwar derart, dass die Rückstellmechanik bei erfolgter Befestigung des Montageelements am Gelenkarmroboter um eine durch das Drehgelenk definierte Drehachse verschwenkbar ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Montageeinheit zusätzlich oder alternativ derart ausgebildet, dass eine Verkippung der Rückstellmechanik um eine Achse quer zur Auszugsrichtung ermöglicht ist. Insbesondere kann dadurch die gesamte Rückstellmechanik in verschiedenen Winkeln in Bezug zum Roboterarm fixiert werden, insbesondere auch auf den Roboterarm zu geneigt, so dass beim Ausziehen der Teleskopsegmente diese in Richtung auf den Roboterarm zu verlaufen.
Insbesondere bei medizinischen Anwendungen, beispielsweise bei Anwendungen mit sogenannten C-Bogenarmen, hat sich gezeigt, dass bei ungünstigen Positionierungen die Vorrichtung evtl. mit dem C-Bogen kollidieren könnte bzw. dass die Bewegungsfreiheit des C-Bogens durch die Vorrichtung begrenzt ist. Durch die Montageeinheit wird nunmehr die Möglichkeit geschaffen, durch die drehbare Anordnung die Rückstellmechanik in verschiedenen Montagepositionen relativ zum Roboterarm anzuordnen, beispielsweise die Rückstellmechanik aus einer Position oben auf dem Roboterarm in eine Position seitlich am Roboterarm zu verschwenken. Durch die Verschwenkbarkeit bei montierter Vorrichtung kann daher in Abhängigkeit der jeweiligen Einbausituation eine möglichst optimale Positionierung der Rückstellmechanik relativ zum Roboter eingestellt werden.
Zweckdienlicherweise ist daher die Drehachse parallel zu der Auszugsrichtung der Rückstellmechanik orientiert. Zur Verkippung relativ zum Roboterarm ist die Drehachse alternativ quer zur Auszugsrichtung gerichtet oder es ist eine zusätzliche Drehachse ausgebildet, so dass eine Verkippung in zwei Richtungen ermöglicht ist. Alternativ zu der Drehachse quer zur Ausgangsrichtung weist die Montageeinheit ein spezielles Montageelement auf, welches die Positionierung der Rückstellmechanik in der gewünschten verkippten Position ermöglicht. Dies ist beispielsweise ein Keilelement.
Weiterhin ist das Basiselement der Rückstellmechanik relativ zum Montageelement der Montageeinheit über ein Arretierelement in mehreren Drehstellungen reversibel feststellbar. Hierdurch wird eben ermöglicht, dass in der jeweiligen gewünschten Position und Drehstellung der Rückstellmechanik ein Betrieb des Gelenkarmroboters mit der Rückstellmechanik ermöglicht ist. Bei den verschiedenen Drehstellungen handelt es sich wahlweise um diskrete Drehstellungen oder auch um freiwählbare Drehstellungen. Die Arretierung erfolgt dabei vorzugsweise über einen Feststell- oder Klemmmechanismus beispielsweise mit Hilfe von Feststellschrauben.
Dieses Konzept mit der speziellen Montageeinheit zur Verstellung der Rückstellmechanik in einer montierten Position am Roboterarm wird als eigenständig erfinderische Idee angesehen. Die Einreichung einer Teilanmeldung auf dieses Konzept unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Rückstellmechanik, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist, bleibt daher vorbehalten.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung weiterhin gelöst durch einen Gelenkarmroboter mit den Merkmalen des Anspruchs 14, an dem eine derartige Vorrichtung befestigt ist. Über die Vorrichtung wird daher bei einer Bewegung einer Roboterhand, an der ein über das Schlauchpaket versorgte Einheit befestigt ist, eine Führung und ein Zurückstellen der zumindest einen Leitung, insbesondere des Schlauchpakets reicht.
Zweckdienlicherweise handelt es sich dabei um einen als Medizinroboter ausgebildeten Gelenkarmroboter, welcher an einer Roboterhand ein medizinisches Gerät trägt. Bei diesem handelt es sich dabei vorzugsweise um einen insbesondere bogenförmigen Träger, beispielsweise einen sogenannten C-Bogen, an dessen gegenüberliegenden Enden ein Detektor sowie eine Strahlungsquelle positioniert sind. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen Röntgendetektor und eine Röntgenstrahlungsquelle. Der Detektor dient dabei zur medizinischen Bildgebung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
1A in schematischer Darstellung einen Industrieroboter mit einer Vorrichtung zur Führung eines Schlauchpakets, wobei sich das Schlauchpaket in einer zurückgefahrenen Ausgangsposition befindet,
1B eine schematische Darstellung des Industrieroboters gemäß 1A, wobei sich das Schlauchpaket in einer vollständig ausgefahrenen Position befindet,
2A eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Führung eines Schlauchpakts gemäß einer ersten Ausführungsvariante in einer ausgefahrenen Position,
2B eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach 2A in einer zurückgefahrenen Ausgansposition,
3 eine ausschnittsweise Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß den 2A und 2B
4 eine schematische Ansicht einer Führungs-Schieber-Einheit der Vorrichtung aus den 2A und 2B
5A, 5B schematische Ansichten einer Vorrichtung zum Führen und Zurückstellen gemäß einer zweiten Ausführungsform in jeweils ihrer ausgefahrenen Position und ihrer zurückgefahrenen Position, sowie
6 eine stark vereinfachte Rückansicht auf einen Gelenkarmroboter mit einer um ein Drehgelenk verschwenkbaren Rückstellmechanik.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1A, 1B ist ein Gelenkarmroboter in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt. Bei diesem Gelenkarmroboter 1 handelt es sich beispielsweise um einen mehrachsigen Industrieroboter, insbesondere um einen sechsachsigen Industrieroboter oder auch um einen Medizinroboter. Dieser weist eine Basis 8, ein erstes auch als Schwinge 4 bezeichnetes Segment auf, welche mit der Basis 8 über eine erste Gelenkverbindung R1 verbunden ist. Um diese erste Gelenkverbindung R1 ist die Schwinge 4 um eine horizontale Achse verschwenkbar. Ergänzend ist die Schwinge 4 üblicherweise um eine vertikale Achse relativ zur Basis 8 verschwenkbar. Die Schwinge 4 erstreckt sich in etwa in vertikaler Richtung nach oben. An einer zweiten Gelenkverbindung R2 ist ein zweites Segment, allgemein als Roboterarm 2 bezeichnet, um eine so genannte „ Achse 3“ schwenkbeweglich mit der Schwinge 4 verbunden. Schließlich ist als drittes Segment eine Roboterhand 3 über eine dritte Gelenkverbindung R3 mit dem zweiten Segment 2 verbunden. An der Roboterhand 3 ist schließlich ein Bearbeitungswerkzeug 6, wie beispielsweise eine Schweißzange etc. angebracht. Im Falle eines Medizinroboters ist an der Roboterhand 3 ein medizinisches Gerät befestigt, beispielsweise eine Patientenliege und insbesondere ein Tragarm, beispielsweise ein sogenannter C-Bogen, an welchem üblicherweise ein (Röntgen-)Strahler sowie gegenüberliegend ein Detektor angebracht ist. Ein derartiger Roboter 1 weist insgesamt sechs unterschiedliche Bewegungsfreiheitsgrade auf.
Zur Versorgung des Bearbeitungswerkzeugs 6 mit Elektrizität und/oder Fluiden und/oder Datensignalen weist der Industrieroboter 1 ein Versorgungsleitungspaket 7 auf, welches am Roboterarm 2 entlanggeführt und von dort mit der Basis 8 verbunden ist. Im Bereich des Roboterarms 2 ist das Versorgungsleitungspaket 7 in einem Schutzschlauch geführt. Das Versorgungsleitungspaket 7 gemeinsam mit dem Schutzschlauch wird nachfolgend auch als Schlauchpaket 9 bezeichnet. Häufig ist im Bereich der zweiten Gelenkverbindung R2 eine Trennstelle für das Versorgungsleitungspaket 7 angeordnet und das Schlauchpaket 9 ist als austauschbare Verschleißeinheit bis zu dieser Trennstelle geführt.
Wie man der 1B entnehmen kann, wird bei einer Drehbewegung um die dritte Gelenkachse R3 eine Zugbewegung auf das Schlauchpaket ausgeübt. Bei der umgekehrten Bewegung wieder zurück in die Ausgangsposition gemäß der 1 muss das Schlauchpaket wieder in die Ausgangsposition zurückgezogen werden.
Hierzu ist im Bereich der zweiten Gelenkverbindung R2 auf dem Roboterarm 2 eine Vorrichtung 10 zur Führung und zur Zurückholung des Schlauchpakets 9 befestigt. In den 1A, 1B ist dieses lediglich stark vereinfacht dargestellt. Zu dieser Vorrichtung 10 ist eine Befestigungsschelle 14 gehörig, in der das Schlauchpaket 9 festgehalten ist, insbesondere formschlüssig, sodass eine von der Vorrichtung ausgeübte Rückstellkraft auf das Schlauchpaket 9 übertragen wird.
An seinem vorderen, zur Roboterhand 3 orientierten Ende ist das Schlauchpaket 9 zusätzlich über eine weitere Befestigungsschelle 15 fixiert, so dass das Schlauchpaket 9 zwischen den beiden Befestigungsschellen 14, 15 gespannt gehalten ist.
Die Vorrichtung 10, die in 2A, 2B ausführlicher illustriert wird, umfasst drei teleskopierbare Segmente 11, 12 und 13, nämlich ein Basiselement 11 und zwei Auszugssegmente 12, 13, die Teil einer Rückstellmechanik 10A sind. Die Segmente 11, 12, 13 sind in einer Auszugsrichtung Z nach Art eines Teleskops ausziehbar. Am vorderen Auszugselement ist die Befestigungsschelle 14 befestigt.
Diese besteht aus zwei Teilen 14a, 14b, die in einer Querebene geöffnet werden können, um das Schlauchpaket 9 aufzunehmen. Die Befestigungsschelle 14 weist im Innern eine ringförmige Nut 20 auf, die in der Lage ist, mit einem radialen Vorsprung des Schlauchpakets 9 zusammenzuwirken, um dessen axiale Befestigung zu gewährleisten und dabei die Drehung der Schutzhülle 9 bezogen auf den Ring 14 um ihre Längsachse Z zu ermöglichen. Sie kann auch ein Kugelgelenk (nicht illustriert) aufweisen, um eine Neigung der Schutzhülle bezogen auf mindestens eine der Querachsen X, Y zu ermöglichen.
Ausgehend von der ersten, ausgeklappten Position, die in 2A illustriert wird, können die Segmente 11, 12 und 13 teleskopisch ineinander, geschoben werden, um zu einer zweiten, eingezogenen Position zu kommen, die in 2B illustriert wird. Umgekehrt können die Segmente 11, 12 und 13 ausgehend von der zweiten Position auch ausgezogen werden, um zur ersten Position zu kommen. Ein elastischer Rückstellmechanismus, der aus zumindest zwei elastischen Federn 15, 16 gebildet wird, übt eine Rückstellkraft der Segmente 11, 12 und 13 in ihre zweite, eingeklappte Position aus. Die erste elastische Feder 15 verbindet das proximale Segment 11, das das Basiselement 11 bildet, mit dem dazwischen liegenden Auszugssegment 12, während die zweite elastische Feder 16 das dazwischen liegende Auszugssegment 12 mit dem distalen Auszugssegment 13 verbindet, das die Befestigungsschelle 14 trägt. Auf diese Weise sind die beiden Federn 15, 16 in Reihe angeordnet, um während der gesamten Verstellung der Befestigungsschelle 14 über die Auszugslänge zwischen den in den 2A und 2B illustrierten Positionen gleichzeitig gespannt zu werden. In dieser Konfiguration entspricht die individuelle Dehnung jeder Feder 15, 16 von der eingezogenen Position der Vorrichtung 10, die in 2B illustriert wird, in ihre ausgezogenen Position, die in 2A illustriert wird, nur einem Abschnitt der Auszugslänge der Segmente 11 und 13 zwischen den beiden Positionen der Vorrichtung 10. Insbesondere wird, wenn die zwei Federn 15, 16 die gleiche Länge und das gleiche Elastizitätsmodul aufweisen, die Dehnung jeder Feder nur der Hälfte dieser Auszugslänge entsprechen. In alternativer Ausgestaltung weisen die beiden Federn 15, 16 unterschiedliche Federeigenschaften auf, insbesondere verschiedene Federraten (Elastizitäts-Module) derart, dass eine definierte Abfolge des Auszugs eingestellt ist. So ist insbesondere die Federrate der Feder 15 geringer, so dass erst das erste Auszugselement 12 relativ zum Basiselement 11 ausgezogen wird.
Um die Segmente 11, 12, 13 zu führen, umfasst im Ausführungsbeispiel jedes der Segmente 11 und 12 auf jeder Seite eine Führung 17, in die mindestens ein Schieberelement 18 eingreift, das jeweils fest mit den Segmenten 12 und 13 verbunden ist, wie in 3 illustriert ist.
Das Schieberelement 18 ist über eine Rollenlagervorrichtung gelagert, wie beispielhaft in 4 illustriert ist. Das Schieberelement 18 umfasst zwei drehbare Rollen 19, um eine erste Innenseite 17a der Führung 17 zu kontaktieren, und eine dritte drehbare Rolle 19', um eine zweite Innenseite 17b der Führung 17 zu kontaktieren, die gegenüber der ersten Innenseite 17a liegt. Auf diese Weise ist es möglich, eine exakte und zuverlässige Führung des Schieberelements 18 auf der Strecke, die durch die Führung 17 definiert wird, mit einer vernachlässigbaren Reibung zu gewährleisten. Alternative Mittel, zum Beispiel mit Kugeln und/oder Kufen, können ebenfalls zu diesem Zweck vorgesehen werden.
In dem in den 2A, 2B sowie 3 und 4 dargestelltem Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Segmente nach Art von Schubladen-Auszugselementen ausgebildet. Jedes Segment ist dabei in etwa als ein u-förmiger Rahmen ausgebildet, die teleskopierbar ineinander gesteckt sind.
Alternativ zu dieser Ausgestaltung sind die einzelnen Elemente 11, 12, 13 nach Art von ineinander gesteckten Schienen oder auch Teleskoprohren ausgebildet, wobei auch hierbei vorzugsweise die einzelnen Segmente für eine möglichst geringe Reibung über Rollen- oder Wälzlager aneinander gelagert sind. Die elastischen Federelemente sind in dieser Ausgestaltung wahlweise im Inneren des jeweiligen Segments oder auch vorzugsweise seitlich auf beiden Seiten des jeweiligen Segments angeordnet und mit den einzelnen Segmenten beispielsweise über seitlich überstehende Befestigungsarme verbunden.
Zurück zu den 1A und 1B, worin das proximale Segment 11 der Vorrichtung zum Führen und Zurückstellen 10 auf dem zweiten Segment 2 des Gelenkroboters 1 befestigt ist, während eine zweite Befestigungsschelle 30 auf dem dritten Segment 13 des Gelenkroboters 1 befestigt ist. Diese zweite Befestigungsschelle 30 weist eine analoge Struktur wie die erste Befestigungsschelle 14 auf, um das Schlauchpaket 9 axial zu befestigen und dabei ihre Drehung um eine Längsachse Z sowie gegebenenfalls ihre Neigung bezogen auf eine oder zwei Querachsen X, Y zu ermöglichen. Mithilfe der Zurückstellung des Auszugselements 13 in der Vorrichtung 10 wird die Schutzhülle 9 zwischen den Ringen 14 und 30 gespannt gehalten, auch wenn das Gelenk R3 ausgestreckt ist, wodurch die Risiken des Hängenbleibens reduziert werden.
Die 5A und 5B illustrieren eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform jeweils in ihrer ausgezogenen und eingezogenen Position. Wie die Vorrichtung der ersten Ausführungsform umfasst diese alternative Vorrichtung 10 drei Segmente 11, 12 und 13.
Die Vorrichtung 10 gemäß dieser zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass die teleskopierbaren Segmente 11, 12 und 13 nicht gerade sondern gekrümmt sind. Die Befestigungsschelle 14 wird daher auch einen gekrümmten Weg zwischen der ausgezogenen Position der 4A und der eingezogenen Position der 4B folgen. Im Ausführungsbeispiel ist eine Krümmung lediglich in Längs- oder Auszugsrichtung Z dargestellt. Ergänzend oder alternativ ist vorzugsweise eine seitliche Krümmung, also in X-Richtung (vgl. zu den Richtungen 2A, 2B), ausgebildet. Hierdurch wird die gesamte Vorrichtung 10 zumindest teilweise um den Roboter 1 herumgeführt. Dies dient beispielsweise dazu, um einen Überstand über den Roboter 1 zu begrenzen oder um bei einem verlängerten Auszugsweg Störkonturen zu vermeiden. Zusätzlich kann dadurch eine veränderte Zuführbahn / ein veränderter Zuführwinkel des Schlauchpakets zum Werkzeug oder einem in der Medizintechnik verwendeten Bogenförmigen Träger, insbesondere eine leicht seitliche Zuführung und Fixierung erreicht werden.
Alternativ zu den in den 1 bis 5 dargestellten elastischen Rückstellelementen (Federelemente 14, 15) wird insbesondere für den Anwendungsbereich eines Medizinroboters ein Aktuator als Rückstellelement in hier nicht näher dargestellter Weise eingesetzt. Bei diesem Aktuator handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Stellmotor oder auch um einen fluidisch angetriebenen Stellmotor. In dieser Ausführungsvariante ist der Vorrichtung zusätzlich eine Steuereinheit zugeordnet, die auch in der Hauptsteuereinheit für den Roboter 1 integriert sein kann. Über diese Steuereinheit wird das Ausziehen und Zurückholen des Schlauchpakets 9 in Abhängigkeit des aktuellen Bewegungsablaufs des Roboters 1 und insbesondere der Relativpositionierung der Roboterhand 6 in Relation zur Befestigungsposition der Vorrichtung 10 gesteuert. Dadurch wird für jede Position, die insbesondere die vordere zweite Befestigungsschelle 30 einnimmt, ein korrespondierender zugeordneter Wert errechnet, an welcher Auszugsposition sich die zugeordnete rückseitige erste Befestigungsschelle 14 befinden sollte. Diese wird mit Hilfe des Stellmotors dann in die entsprechende Position versetzt. Hierzu ist der Stellmotor mit der ersten Befestigungsschelle 14 in geeigneter Wiese verbunden.
Schließlich ist in 6 eine Rückansicht auf einen Roboter 1 dargestellt, bei dem die Vorrichtung 10 ergänzt zu der Rückstellmechanik 10A noch eine Montageeinheit 10B aufweist. Die Montageeinheit 10B weist dabei auf und ist insbesondere abschließend gebildet durch ein beispielsweise plattenförmig ausgebildetes Montagelement 40, einem Drehgelenk 42 sowie einem Halteelement 44. An diese ist die Rückstellmechanik 10A befestigt ist. Das Halteelement 44 ist mit dem Montagelement 40 über das Drehgelenk 42 nach Art eines Klappscharniers verbunden. An dem Haltelement 44 ist das Basiselement 11 der Rückstellmechanik 10A befestigt oder ist alternativ durch dieses Basiselement 11 gebildet. Über das Drehgelenk 42 ist ein Verschwenken der Rückstellmechanik 10A um die in die Papierebene hinein erstreckende Auszugs- oder Längsrichtung Z ermöglicht und zwar von der in der 6 dargestellten seitlichen Anordnung seitlich neben dem Roboterarm 2 in eine punktiert dargestellte obere Position oberhalb des Roboterarms 2. Im Ausführungsbeispiel ist daher eine Verschwenkung um 180° ermöglicht. Zur Befestigung des Montageelements 40 sind am Roboterarm 2 üblicherweise ein oder es sind auch mehrere Befestigungsstege 46 angeordnet. Die Befestigung der Montageeinheit 10B hieran erfolgt insbesondere über eine Schraubbefestigung.
Die Winkelpositionierung des Halteelements 44 relativ zum Montageelement 40 ist dabei in hier nicht näher dargestellter Weise fest arretierbar, so dass ein Betrieb des Roboters 1 und insbesondere der Vorrichtung 10 in dieser arretierten Position ermöglicht ist. Die Arretierung ist daher ausreichend dimensioniert um die im Betrieb auftretenden Kräfte aufnehmen zu können.
Die einzelnen erfinderischen Aspekte sind jeweils an spezifischen Ausführungsbeispielen beispielhaft ohne Beschränkung der Allgemeinheit beschrieben. Unterschiedliche Merkmale der einzelnen in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten sind dabei auch einzelweise untereinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1848571 B1 [0002, 0005]
DE 20113742 U1 [0004]
WO 2009/068239 A1 [0006]
WO 2005/123350 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung (10) zum Führen und Zurückstellen mindestens einer flexiblen Leitung eines Gelenkarmroboters (1), insbesondere zur Führung eines Schlauchpaketes (9), mit einer Rückstellmechanik (10A), die zumindest ein Rückstellelement (15, 16) zur Ausübung einer Rückstellkraft auf die Leitung sowie ein Befestigungselement (14) zur Befestigung der Leitung aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmechanik (10A) mehrere Segmente (11, 12, 13), nämlich ein Basissegment (11) zur Befestigung am Gelenkarmroboter (1) und zumindest ein Auszugssegment (12, 13) umfasst, das relativ zum Basissegment (11) in einer Auszugssrichtung (Z) teleskopierbar zwischen einer ersten ausgefahrenen Position und einer zweiten eingefahrenen Position angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Auszugssegmente (12, 13) angeordnet sind, die relativ zueinander und relativ zum Basissegment (11) teleskopierbar zwischen der ersten ausgefahrenen Position und der zweiten eingefahrenen Position angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rückstellelement (15, 16) als ein elastisches Federelement ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmechanik (10A) mehrere in Reihe angeordnete Rückstellelemente (15, 16) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rückstellelement (15, 16) jeweils zwei aufeinanderfolgende Segmenten (11, 12, 13) miteinander verbindet.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dämpfungselement angeordnet ist, das zwischen zwei Segmenten (11, 12, 13) zur Dämpfung der Bewegung bei Erreichen einer ausgezogenen oder eingefahrenen Endposition angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmechanik (10A) als Rückstellelement einen Stellmotor aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit aufweist, die in Abhängigkeit einer aktuellen Ansteuerung des Gelenkarmroboters (1) den Stellmotor steuert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Segmente (11, 12, 13) angeordnet sind und die Segmente entsprechend einer vordefinierten Reihenfolge, insbesondere sukzessive in die ausgefahrene bzw. eingefahrene Position verfahren.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Segmente (11, 12, 13) mit einem benachbarten Segment (11, 12, 13) durch eine Einheit aus einer Führung (17) und einem Schieberelement (18) verbunden ist, die eine relative Verschiebung zwischen den Segmenten (11, 12, 13) gemäß einem durch die Führung (17) definierten Weg ermöglicht.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Segmente (11, 12, 13) gekrümmt ist, um einem ebenfalls gekrümmten Weg zwischen der ersten ausgefahrenen Position und der zweiten eingefahrenen Position zu folgen.
Vorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Befestigungselement (14) beweglich an einem der Segmente (13) befestigt ist.
Vorrichtung (10) zum Führen und Zurückstellen mindestens einer flexiblen Leitung eines Gelenkarmroboters (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Rückstellmechanik (10A) mit zumindest einem Rückstellelement (15, 16) zur Ausübung einer Rückstellkraft auf die Leitung sowie ein Befestigungselement (14) zur Befestigung der Leitung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellmechanik (10A) an einer Montageeinheit (10B) zur Montage am Gelenkarmroboter (1) befestigt ist, wobei die Montageeinheit (10B) ein Montageelement (40) zur Fixierung am Gelenkarmroboter (1) sowie ein Drehgelenk (42) aufweist, an dem ein Basiselement (11) der Rückstellmechanik (10A) befestigt ist, derart, dass die Rückstellmechanik (10A) um eine durch das Drehgelenk (42) definierte Drehachse verschwenkbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse parallel zu der Auszugsrichtung (Z) der Rückstellmechanik (10A) orientiert ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (11) relativ zum Montageelement (40) in mehreren Drehstellungen reversibel feststellbar ist.
Gelenkarmroboter (1), umfassend mindestens eine flexible Leitung und eine Vorrichtung (10) zum Führen und Zurückstellen der mindestens einen flexiblen Leitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Gelenkarmroboter (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Roboterhand (2) mit einem daran angeordneten medizinischen Gerät, insbesondere einen bogenförmigen Träger mit einem Detektor und einer Strahlungsquelle umfasst.