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1. Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrachsigen Manipulator und ein Verfahren zur Erhöhung der maximalen Anpresskraft eines derartigen Manipulators, insbesondere eines Gelenkarmroboters.
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2. Technischer Hintergrund
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Mehrachsige Manipulatoren, wie etwa entsprechende Roboter, insbesondere Industrieroboter und Gelenkarmroboter, werden für verschiedene Arbeitsprozesse in beispielsweise der Montage oder Fertigung im industriellen Umfeld eingesetzt. Diese Maschinen sind häufig manuell oder automatisch gesteuerte, wiederprogrammierbare und vielfach einsetzbare Handhabungsgeräte mit mehreren Freiheitsgraden.
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Unter dem Begriff Manipulator wird hierin das komplette Manipulatorsystem (bzw. Robotersystem) verstanden, das neben der mechanischen Struktur (die im Wesentlichen aus den Antrieben, Messeinrichtungen, Getrieben, Gelenken und den hintereinander aufgebauten Armgliedern besteht), auch die entsprechenden zum Betrieb notwendigen Aggregate umfasst, wie insbesondere die Steuerung, Bedieneinrichtungen, Sensoren, Datenschnittstellen, etc. Die Antriebe umfassen typischerweise Elektromotoren, jedoch sind auch hydraulische oder pneumatische Antriebe u. Ä. in der Praxis anzufinden. Häufig sind die maximal erzeugbaren Drehmomente der verschiedenen Achsen eines Manipulators, bzw. die maximal zulässigen Drehmomente (das maximal erzeugbare und das maximal zulässige Drehmoment ist i.d.R. identisch) an den Achsen, nicht alle gleich. Typischerweise verringert sich das maximale Drehmoment ausgehend von der Basis des Roboters bzw. Manipulators von Achse zu Achse (also von Achse A1 zu Achse An).
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Die maximal mögliche Anpresskraft des Manipulators hängt maßgeblich von der Beladung und Stellung der Achsen ab und wird insbesondere durch die maximal möglichen Drehmomente der einzelnen Achsen begrenzt. Der Aufbau des Manipulators zusammen mit den maximalen Drehmomenten der jeweiligen Achsen bestimmt also im Wesentlichen die Anpresskraft, die vom Manipulator am distalen Ende seiner mechanischen Struktur aufgebracht werden kann. Diese maximale Anpresskraft variiert erheblich je nach Aufbau und Größe des Manipulators und korreliert häufig mit der maximalen Traglast des Manipulators bzw. Roboters, wobei beispielsweise schwere Industrieroboter Traglasten von über 1000 kg haben, und kleine Industrieroboter Traglasten von nur wenigen Kilogramm. Für viele Handhabungsaufgaben von Manipulatoren ist es wünschenswert, dass die maximal aufbringbare Anpresskraft des Manipulators hoch ist. Dies ist etwa in allen Anwendungen wünschenswert, in denen der Manipulator Bauelemente mit großer Kraft in eine bestimmte Stellung oder Position bringen muss. Nur beispielhaft sei hier das Setzen von Stopfbauteilen in entsprechende zu schließende Öffnungen genannt, wobei Stopfen mit relativ großer Kraft in oder an ein Werkstück gepresst oder gesetzt werden müssen.
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Da Manipulatoren mit hoher Traglast bzw. hohem maximal aufbringbaren Anpressdruck typischerweise teurer sind, als Manipulatoren mit niedrigen Traglasten bzw. Anpressdrücken, ist es vom ökonomischen Standpunkt häufig erstrebenswert für eine bestimmte Aufgabe möglichst schwach ausgelegte Manipulatoren zu verwenden. Um beim oben erwähnten Beispiel zu bleiben, ist es beispielsweise wirtschaftlich häufig nicht sinnvoll, für das Setzen von Stopfen, die etwa mit einer Kraft von 400 N eingesetzt werden müssen, einen Manipulator auszuwählen, der eine maximale Anpresskraft von einem Vielfachen des gewünschten Werts hat. Andererseits ist ein leichterer, und damit in der Regel günstigerer Manipulator normalerweise ungeeignet, wenn er die beispielhaften 400 N nicht aufbringen kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Stand der Technik zu verbessern und einen entsprechend verbesserten Manipulator zu schaffen, sowie ein Verfahren, mit dem die maximale Anpresskraft eines gegebenen Manipulators erhöht werden kann. Es ist dabei insbesondere Aufgabe der Erfindung einen Manipulator derart zu verbessern, dass die maximale Anpresskraft desselben in Richtung der Schwerkraft erhöht werden kann, ohne die maximalen Drehmomente der einzelnen Achsen, beispielsweise durch konstruktive Maßnahmen, zu verändern. Diese und andere Aufgaben, die dem Leser beim Studium der vorliegenden Beschreibung genannt werden oder vom Fachmann erkannt werden können, werden mit einem mehrachsigen Manipulator gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mehrachsiger Manipulator bereitgestellt, insbesondere ein Gelenkarmroboter, wobei die Achsen des Manipulators mit Sensoren zur Erfassung der an den Achsen wirkenden Drehmomente versehen sind. Diese Sensoren können im weitesten Sinne alle Mittel sein, mit denen die Messung der Drehmomente möglich ist. Beispielsweise kann es bereits ausreichen, die Stromstärke der Elektromotoren der Antriebe der Achse zu messen, um hierüber Rückschlüsse auf das vorliegende Drehmoment zu ziehen. Generell bevorzugt sind die Sensoren jedoch dezidierte Drehmomentsensoren, die insbesondere auf Basis von Dehnungsmessstreifen arbeiten, da diese genauer arbeiten.
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Am distalen Ende der mechanischen Struktur des Manipulators ist erfindungsgemäß ein Zusatzgewicht angebracht. Das Zusatzgewicht kann jede beliebige Form haben und aus beliebig vielen Teilen bestehen.
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Wichtiger ist nämlich das Gewicht und die Anordnung des Zusatzgewichts, nicht so sehr die körperliche Ausgestaltung desselben. Wie im Weiteren noch näher erläutert werden wird, hat dieses Zusatzgewicht zumindest zwei positive Effekte. Zum einen erlaubt das Gewicht selbst, dass die maximale Anpresskraft des Manipulators in Richtung der Schwerkraft erhöht wird, nämlich zumindest um die Kraft, die das zusätzliche Gewicht selbst aufgrund der Schwerkraft aufbringt. Für den zweiten positiven Effekt ist es vorteilhaft, wenn das Zusatzgewicht möglichst nahe am distalen Ende der mechanischen Struktur angebracht wird, wie etwa am oder in der Nähe des Handflansches des Manipulators. Dem Fachmann ist klar, dass das proximale Ende der mechanischen Struktur sich an der Basis der Struktur befindet, die beispielsweise fest mit einem Sockel verbunden ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch das Anbringen eines Zusatzgewichts am distalen Ende der mechanischen Struktur des Manipulators die Drehmomentauslastung der Achsen des Manipulators angeglichen, d.h. homogenisiert wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass alle Achsen des Manipulators eine ähnliche Drehmomentauslastung haben, wodurch überraschenderweise die insgesamt maximal aufbringbare Anpresskraft des Manipulators erhöht wird. Ohne das Vorsehen eines Zusatzgewichts wird die maximale Anpresskraft typischerweise von derjenigen Achse limitiert, die als erste die Grenze ihres maximalen Drehmoments erreicht. So kann es sein, dass beispielsweise die Achse A5 ihr maximales Drehmoment erreicht, was dazu führt, dass die Anpresskraft des Manipulators insgesamt zu diesem Zeitpunkt begrenzt wird, obwohl möglicherweise die Achsen A1 und A3 erst eine geringe Drehmomentauslastung aufweisen. Mit anderen Worten, das Anbringen des Zusatzgewichts führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Grundlast auf alle Achsen, sodass leichter sichergestellt werden kann, dass nicht eine einzelne Achse limitierend ist. Dies führt dazu, dass bei einer optimalen Ausnutzung des maximalen Drehmoments einer jeden Achse insgesamt deutlich höhere Anpresskräfte erzeugt werden können. Alle Achsen werden zudem gleichmäßig hoch belastet, sodass Spitzenbelastungen einzelner Achsen verhindert bzw. minimiert werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Manipulators und verringert die Häufigkeit von Wartungs- oder Instandsetzungsmaßnahmen.
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Insgesamt erlaubt das Prinzip der vorliegenden Erfindung Roboter für Aufgaben einzusetzen, für die ihre Traglast oder Kraft eigentlich zu gering wäre. Da das Vorsehen eines Zusatzgewichts erheblich kostengünstiger ist als die Verwendung eines entsprechend größer oder stärker dimensionierten Manipulators ermöglicht die vorliegende Erfindung zudem substantielle Kosteneinsparungen.
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Vorzugsweise ist das Zusatzgewicht nach der vorletzten Achse des Manipulators angebracht. Ein Manipulator mit z. B. sechs Achsen A1–A6 hätte das Zusatzgewicht in diesem Fall dann beispielsweise hinter der Achse A5, wie etwa am Ende der letzten Achse. Besonders bevorzugt ist das Zusatzgewicht am Handflansch des Manipulators befestigt. Der Handflansch eines Manipulators ist üblicherweise ohnehin mit Befestigungsmitteln versehen, wie etwa Gewindebohrungen, an denen das Zusatzgewicht sicher und einfach befestigt werden kann. Beispielsweise kann das Zusatzgewicht als Scheibe ausgebildet sein und somit am Handflansch selbst befestigt werden. Dort kann es gleichzeitig als Ansatzmittel zur Befestigung des Endeffektors dienen.
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Vorzugsweise weist der Endeffektor des Manipulators das Zusatzgewicht auf und/oder der Endeffektor entspricht dem Zusatzgewicht. Es ist beispielsweise denkbar, einen Endeffektor, wie etwa ein Stopfensetzwerkzeug, besonders schwer auszuführen, sodass der Endeffektor das Zusatzgewicht quasi in sich trägt, d. h. dem Zusatzgewicht entspricht. Es ist ebenso denkbar dem Endeffektor das Zusatzgewicht hinzuzufügen, indem beispielsweise das Gehäuse des Endeffektors mit entsprechendem Ballast gefüllt wird, oder indem Zusatzgewichte am Endeffektor angebracht werden, beispielsweise angeschweißt oder angeschraubt o. Ä.
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Generell bevorzugt umfassen die Sensoren zur Erfassung der Drehmomente Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen erlauben eine besonders genaue Erfassung der an den Achsen des Manipulators wirkenden Drehmomente. Die erfassten Drehmomente können, wie unten genauer erläutert, zur Anpassung der jeweiligen Drehmomentauslastung der Achsen des Manipulators verwendet werden.
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Vorzugsweise wiegt das Zusatzgewicht 5–25 kg, mehr bevorzugt zwischen 7–20 kg, noch mehr bevorzugt zwischen 8–18 kg und am meisten bevorzugt zwischen 10–16 kg.
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Die mechanische Struktur des Manipulators, d. h. ohne den Endeffektor, hat vorzugsweise ein Gewicht zwischen 15–50 kg, mehr bevorzugt zwischen 20–40 kg und noch mehr bevorzugt zwischen 22–35 kg. Derartige Manipulatoren werden auch als Leichtbauroboter bezeichnet. Die angegebenen Gewichtsbereiche sind besonders vorteilhaft in Kombination mit den oben angegebenen Gewichten für das Zusatzgewicht. Es hat sich nämlich experimentell gezeigt, dass besonders vorteilhafte Ergebnisse hinsichtlich der Erhöhung der maximalen Anpresskraft in Richtung der Schwerkraft erreicht werden können, wenn das Gewicht des Zusatzgewichts einem substantiellen Anteil des Gewichts der mechanischen Struktur entspricht.
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Grundsätzlich bevorzugt ist daher das Gewichtsverhältnis Ms/Mz von der mechanischen Struktur des Manipulators (Ms) zu dem daran angebrachten Zusatzgewicht (Mz) zwischen 1,5–4, bevorzugt zwischen 1,7–3,5 und mehr bevorzugt zwischen 1,8–3. Ein Gewichtsverhältnis Ms/Mz von 1,5 ergibt sich beispielsweise bei einem Gewicht der mechanischen Struktur (Ms) von 30 kg und einem Gewicht (Mz) des angebrachten Zusatzgewichts von 20 kg.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Erhöhung der maximalen Anpresskraft eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere eines Gelenkarmroboters. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte:
- a) Bereitstellen eines mehrachsigen Manipulators, der mit Sensoren zur Erfassung der an den Achsen wirkenden Drehmomente versehen ist;
- b) Beaufschlagen des distalen Endes der mechanischen Struktur des Manipulators mit einer in Richtung der Schwerkraft wirkenden Last;
- c) Anpassen der jeweiligen Drehmomentauslastung der Achsen des Manipulators, sodass die jeweiligen Drehmomentauslastungen – in Prozent des jeweiligen maximalen Drehmoments – nicht mehr als 30 Prozentpunkte voneinander abweichen, vorzugsweise nicht mehr als 25 Prozentpunkte voneinander abweichen und am meisten bevorzugt nicht mehr als 21 Prozentpunkte voneinander abweichen.
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Der Begriff Drehmomentauslastung der Achsen ist dem Fachmann bekannt und bezeichnet das Verhältnis des aktuell anliegenden (d. h. beispielsweise gemessenen) Drehmoments einer Achse im Verhältnis zu dem maximalen Drehmoment dieser Achse. Kann eine Achse beispielsweise ein maximales Drehmoment von 100 Nm erzeugen, bzw. liegt das maximal zulässige Drehmoment einer Achse bei 100 Nm, so liegt die Drehmomentauslastung der Achse bei einem tatsächlich anliegenden Drehmoment von 30 Nm bei 30 Prozent. Die Anpassung der Drehmomentauslastung soll bewirken, dass alle Achsen, unabhängig von ihrem maximalen Drehmoment, ungefähr gleich ausgelastet sind. Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die jeweiligen Drehmomentauslastungen um nicht mehr als 30 Prozentpunkte voneinander abweichen, da dies überraschenderweise zu einer insgesamt größeren maximalen Anpresskraft führt, als bei größeren Abweichungen. Mit dem Begriff Prozentpunkt wird die einfache Differenz zwischen zwei Prozentsätzen angegeben. Ist beispielsweise die Achse A1 mit 10 Prozent ausgelastet und die Achse A2 mit 30 Prozent, so weichen die beiden Drehmomentauslastungen um 20 Prozentpunkte voneinander ab.
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Die folgenden Beispiele sollen dies verdeutlichen. In den Beispielen wurde ein Leichtbauroboter des Typs LBR iiwa der KUKA AG verwendet. Der Roboter hatte ein Eigengewicht (mechanische Struktur) von 24 kg und an seinem Handflansch wurde im Beispiel 1 ein Zusatzgewicht von 13 kg angebracht. Die Traglast des Roboters liegt bei 14 kg. Der Roboter wurde sodann in eine Pose ähnlich der in 1 gezeigten bewegt, in der die Schwerkraft auf die Armglieder und das Zusatzgewicht wirkt. In der stationären Haltung müssen die Antriebe der Achsen entsprechende Drehmomente erzeugen, um das Eigengewicht des Roboters zu halten (im Vergleichsbeispiel „Roboter ohne Zusatzgewicht“), bzw. um das Eigengewicht des Roboters und das Zusatzgewicht zu halten (Vergleichsbeispiel „Roboter mit Zusatzgewicht“). Dabei wurden folgende Drehmomentauslastungen an den sieben Achsen des Roboters A1 bis A7 gemessen:
Vergleichsbeispiel: Roboter ohne Zusatzgewicht
A1: 0 %, A2: 70 %, A3: 30 %, A4: 10 %, A5: 20 %, A6: 10 %, A7: 5%
Beispiel 1: Roboter mit Zusatzgewicht
A1: 10 %, A2: 30 %, A3: 30 %, A4: 20 %, A5: 20 %, A6: 30 %, A7: 20 %
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Bei dem Roboter ohne Zusatzgewicht lag die Abweichung der jeweiligen Drehmomentauslastungen der einzelnen Achsen im stationären Betrieb bei bis zu 70 Prozentpunkten, nämlich zwischen der Achse A1 und der Achse A2. Im Beispiel 1 mit Zusatzgewicht lag die Abweichung bzw. Differenz bei max. 20 Prozentpunkten, nämlich zwischen Achse A1 und den Achsen A2, A3 und A6. Die homogenere Drehmomentauslastung an den einzelnen Achsen führt überraschenderweise dazu, dass die maximale Anpresskraft des Roboters erhöht wird. Bei dem für das Beispiel verwendeten Robotertyp bewirkt die Steuerung automatisch ein Anpassen der Drehmomentauslastung der Achsen des Manipulators, wie es in dem obigen Beispiel angegeben ist. Mit anderen Worten, bei gleicher Orientierung und Pose des Roboters führt die Verwendung eines Zusatzgewichts automatisch zur gewünschten Anpassung. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind nicht vollständig verstanden, jedoch ist experimentell belegt, dass eine derartige homogenisierte oder angeglichene Drehmomentauslastung der Achsen die maximale Anpresskraft des Roboters erhöhen kann. Davon unabhängig hat die bessere Homogenität noch weitere Vorteile, da eine gleichmäßige Drehmomentauslastung auch einen gleichmäßigeren Verschleiß der Teile des Roboters bedeutet und die Gefahr verringert wird, dass durch einzelne Drehmomentspitzen an einzelnen Achsen Beschädigungen auftreten oder der Roboterbetrieb unterbrochen werden muss, beispielsweise durch ein Notaus.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren auch ein Überwachen der an den Sensoren erfassten Drehmomente und eine Verwendung der erfassten Werte im Anpassungsschritt. Grundsätzlich ist es bei dem Verfahren denkbar, dass das Anpassen der Drehmomentauslastung aktiv kommandiert wird, indem beispielsweise die an den Achsen anliegenden Drehmomente erfasst werden und der Manipulator bzw. Roboter aktiv derart angesteuert wird, dass die Drehmomentauslastung der Achsen die gewünschte Homogenität aufweist. Vorzugsweise wird der Roboter derart gesteuert, dass die jeweiligen Drehmomentauslastungen der Achsen nicht mehr als 30 Prozentpunkte voneinander abweichen, mehr bevorzugt nicht mehr als 25 Prozentpunkte und noch mehr bevorzugt nicht mehr als 21 Prozentpunkte.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren auch ein Anpressen des Endeffektors des Manipulators in Richtung der Schwerkraft an ein zu bearbeitendes Werkstück zur Durchführung einer Handhabungsaufgabe. Die Beaufschlagung des distalen Endes des Manipulators mit einer in Richtung der Schwerkraft wirkenden Last – wie beispielsweise ein Zusatzgewicht – ist insbesondere in derartigen Handhabungsaufgaben vorteilhaft, da die zusätzlich beaufschlagte Last die Anpresskraft zusätzlich erhöht; neben der vorteilhaften homogenen Drehmomentauslastung der Achsen. Eine derartige Handhabungsaufgabe kann bsp. das Setzen von Stopfen sein.
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Vorzugsweise wird die Last über ein Zusatzgewicht beaufschlagt, das am distalen Ende angebracht wird und/oder über das Gewicht eines Endeffektors.
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Beim Verfahren ist es zudem generell bevorzugt, dass das Gewichtsverhältnis von der mechanischen Struktur des Manipulators, d. h. ohne den Endeffektor, zu dem angebrachten Zusatzgewicht und/oder dem Gewicht des Endeffektors zwischen 1,5 und 4 liegt, bevorzugt zwischen 1,5 und 3,5 und mehr bevorzugt zwischen 1,6 und 3. Es hat sich gezeigt, dass zu leichte Zusatzgewichte und damit zu geringe beaufschlagte Lasten den gewünschten Effekt verringern. Zu große Zusatzgewichte bzw. zu große aufgebrachte Lasten können die maximale Tragfähigkeit des Roboters überschreiten.
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4. Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren genauer erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines mehrachsigen Manipulators; und
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2 eine schematische Darstellung des Manipulators der 1 in einer anderen Pose.
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1 zeigt einen mehrachsigen Manipulator 1, nämlich einen Gelenkarmroboter, der über insgesamt sieben Achsen A1 bis A7 verfügt (siehe 2). Mit Bezugszeichen 11 ist die Basis des Roboters bezeichnet, die über Befestigungsmittel 13 ortsfest bsp. an einem Sockel fixiert werden kann. Die Basis 11 bildet dabei das proximale Ende 12 des Roboters. Die Achsen befinden sich zwischen einer Anzahl von Gliedern 14, 15, 16, 17, 18 und 19, welche über die Achsen relativ zueinander verdreht werden können. Die in 1 gezeigten Elemente des Manipulators (ohne den Endeffektor und das Zusatzgewicht) bilden die mechanische Struktur desselben. In der Praxis gehören für den Betrieb des gezeigten Roboters noch weitere Strukturen hinzu, wie etwa eine Steuerung, Energieversorgung, Datenschnittstellen etc., die in den Figuren jedoch nicht dargestellt sind. Am distalen Ende der mechanischen Struktur befindet sich der Handflansch 20. An diesem Handflansch 20 ist ein Zusatzgewicht 30 angebracht, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel schematisch durch eine Scheibe angedeutet ist. Die Darstellung ist nicht zwingend maßstabsgetreu und soll nur in rein schematischer Weise die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung illustrieren.
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Der Fachmann erkennt, dass das Zusatzgewicht 30 im gezeigten Ausführungsbeispiel nach der letzten Achse A7 des Manipulators bzw. Roboters 1 angebracht ist. An dem Zusatzgewicht 30 ist zudem ein Endeffektor 31 aufweisend ein Werkzeug 32 angebracht. Das Zusatzgewicht 30 kann jedoch auch ein Teil des Endeffektors 31 sein bzw. der Endeffektor 31 kann bei entsprechender Dimensionierung und Ausgestaltung dem Zusatzgewicht 30 entsprechen.
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In 2 ist derselbe Manipulator 1 wie in 1 gezeigt, jedoch in einer anderen, ausgestreckten Pose. In 2 sind die sieben Achsen A1 bis A7 des Manipulators deutlich erkennbar. Alle sieben Achsen sind als Drehachsen ausgebildet. Die (mathematischen) Drehachsen der Achsen A1, A3, A5 und A7 sind parallel zueinander. Ebenso sind die Drehachsen der Achsen A2, A4 und A6 parallel zueinander und im Wesentlichen orthogonal zu den Drehachsen von A1, A3, A5 und A7. Im gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Achsen A1 und A2 jeweils ein maximales Drehmoment von 320 Nm, die Achsen A3 und A4 von 170 Nm, die Achse A5 von 110 Nm und die Achsen A6 und A7 von 44 Nm. Der abgebildete Roboter ist ein sogenannter Leichtbauroboter mit einem Gewicht der in 2 gezeigten mechanischen Struktur (also ohne das Zusatzgewicht oder den Endeffektor der 1) von 24 bis 30 kg. Das Gewicht von Endeffektor 31 und Zusatzgewicht 30 beträgt gemeinsam 13 kg. Ein derartiges Gewichtsverhältnis von ca. 1,8 bis 2,3 (d. h. 24 kg / 13 kg bzw. 30 kg / 13 kg) hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen.
