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1. Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherungssystem zum Umhüllen eines Werkzeugs eines Manipulators, und insbesondere ein Sicherungssystem zum Einsatz bei der Mensch-Roboter-Kollaboration.
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2. Technischer Hintergrund
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Neben rein manuellen und rein roboterbasierten Systemen werden für verschiedene Arbeitsprozesse Manipulatoren verwendet, die eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ermöglichen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten, um die Produktivität zu erhöhen. Dabei kann sich der Mensch schnell auf unterschiedliche Aufgabenstellungen und vor allem unvorhersehbare Ereignisse einstellen, während die Vorteile des Roboters in der schnellen und präzisen Ausführung von einfachen, sich häufig wiederholenden Tätigkeiten liegen. Durch die MRK werden vorteilhaft beide Stärken kombiniert. Als Beispiele für solche MRK Systeme sind u. a. manuell geführte Manipulatoren und Assistenzroboter zu nennen. Erstere umfassen Manipulatoren, die einen (beispielsweise direkt oder über Telemanipulation) handgesteuerten Manipulatorarm aufweisen, mit dem beispielsweise Lasten versetzt werden können. Assistenzroboter sind Manipulatoren, mit denen ein Bediener ohne trennende Schutzeinrichtung zusammenarbeitet.
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Je nach Arbeitsprozess können die Manipulatoren gefährliche Werkzeuge führen, die teilweise scharfkantig oder spitz sind. In solchen Umgebungen ist das Verletzungsrisiko für Menschen stark erhöht, und zwar selbst für den Fall, dass sich der das Werkzeug führende Manipulator nicht bewegt.
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Bekannte Schutzmaßnahmen beruhen auf der Verwendung von verschiedenen Sensoren. So können Sensoren verwendet werden, um beispielsweise einen Menschen in der näheren Umgebung eines Manipulators zu orten. Hierzu können beispielsweise Ultraschallsensoren herangezogen werden. Alternativ können auch kapazitive Abstandsensoren verwendet werden, um die Präsenz eines Menschen zu detektieren. Wenn ein Mensch in der nahen Umgebung des Manipulators erkannt wurde, kann unterschiedlich hierauf reagiert werden. Beispielsweise kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Manipulators reduziert werden, um dem Menschen die Möglichkeit zu geben, auf die Bewegungen des Manipulators zu reagieren.
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Alternativ können auch mechanische Werkzeugsicherungen eingesetzt werden, die das Werkzeug des Manipulators abdecken bzw. umhüllen, so dass kein unbeabsichtigter Kontakt mit dem Werkzeug möglich ist. Eine solche mechanische Werkzeugsicherungen ist in der Schrift
DE 10 2012 217 764 A1 offenbart.
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Die bekannten Schutzmaßnahmen bringen jedoch Nachteile mit sich. So ist beispielsweise das scharfkantige oder spitze Werkzeug in Systemen, die Ultraschallsensoren oder kapazitive Sensoren verwenden, frei zugänglich. Bei abgeschaltetem oder stehendem Manipulator kann sich ein Bediener folglich an dem Werkzeug verletzen. Auch die Reaktionsstrategien sind insofern nachteilig, als dass die Reduktion der Arbeitsgeschwindigkeit die Produktivität verringert. Mechanische Werkzeughülsen bringen Zugänglichkeitsprobleme mit sich und sind nur bedingt nachgiebig ausgebildet. Außerdem benötigen sie in der Regel im eingefahrenen Zustand, in dem das Werkzeug freigegeben ist, viel Raum.
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Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Sicherungssystem bereitzustellen, mit dem insbesondere Werkzeuge von Manipulatoren, wie Gelenkrobotern, gesichert werden können, um das Unfall- und Verletzungsrisiko in beispielsweise MRK-Systemen zu reduzieren. Weiter ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Manipulatoren für einen sicheren Einsatz in MRK-Systemen bereitzustellen.
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Diese und andere Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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3. Inhalt der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Sicherungssystem zum Umhüllen eines Werkzeugs eines Manipulators bereitgestellt, wobei das Sicherungssystem insbesondere zum Einsatz mit einem mehrachsigen Gelenkarmroboter geeignet ist. Durch ein Umhüllen eines Werkzeugs wird generell die Zugänglichkeit oder Erreichbarkeit des Werkzeugs von außen reduziert. Das Sicherungssystem weist hierfür eine Hüllstruktur auf, die eingerichtet ist das Werkzeug zumindest teilweise zu umhüllen, um so das Risiko von Verletzungen durch beispielsweise scharfkantige oder spitze Werkzeuge zu verringern.
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Die Hüllstruktur weist ferner einen expandierbaren Volumenkörper auf, wobei das Volumen des Volumenkörpers durch Füllung mit einem Medium, insbesondere mit Luft, vergrößerbar ist. Der Volumenkörper ist vorzugsweise als Aufblaskörper ausgebildet oder als Schaumstoffkörper. In einfachen Ausführungsformen entspricht die Hüllstruktur dem Volumenkörper bzw. ist mit diesem identisch. Die Hüllstruktur kann jedoch auch noch weitere Elemente aufweisen, wie im Folgenden noch erläutert werden wird. Der Volumenkörper kann expandiert werden, indem er mit einem Medium gefüllt wird. Der Fachmann versteht hierbei, dass das Medium in unterschiedlichen Phasen vorliegen kann. So kann das Medium beispielsweise Luft sein, oder auch ein Fluid. Somit ist es vorteilhaft möglich, das Ausmaß des Volumenkörpers zu variieren, um den Grad der Umhüllung des Werkzeugs zu variieren. Allgemein bevorzugt wird als Medium Luft, da diese in Form von Druckluft häufig ohnehin in Produktionsprozessen oder Werkstätten zur Verfügung steht und zudem ungiftig, kostengünstig und leicht zugänglich ist.
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Vorzugsweise ist die Hüllstruktur des Sicherungssystems derart eingerichtet, dass der Grad der Umhüllung des Werkzeugs größer ist, je größer das Volumen des Volumenkörpers ist. Folglich wird durch Füllen des Volumenkörpers mit dem Medium die Umhüllung des Werkzeugs durch die Hüllstruktur vergrößert, sodass sich die Erreichbarkeit des Werkzeugs verringert. In diesem Zustand umschließt der Volumenkörper vorteilhaft das Werkzeug und/oder einen Werkzeugwirkbereich, selbst wenn der Manipulator im Ruhezustand ist und schützt so vor möglichen Verletzungen oder Beschädigungen durch das Werkzeug. Durch Leeren des Volumenkörpers kollabiert dieser vorzugsweise und gibt das Werkzeug frei, um es anwenden zu können.
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Der Begriff „Werkzeug“ umfasst dabei alle Gegenstände oder Geräte, die von einem Roboter oder Manipulator zum Bearbeiten eines Werkstücks verwenden werden können.
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Weiter vorzugsweise weist das Sicherungssystem Mittel zum Zuführen und/oder Mittel zum Abführen des Mediums auf. Diese Mittel können vorzugsweise Mittel zur Zuführung von Luft und/oder Mittel zur Abführung von Luft umfassen. Generell bevorzugt ist das Medium Druckluft und das Mittel zur Zuführung von Druckluft umfasst entsprechende Zuführungsleitungen, ein Druckluftreservoir, ein Ventil etc. Denkbar ist aber auch eine aktive Absaugung (Evakuierung) des Mediums, wie der Luft, um den gefüllten Volumenkörper zu entleeren und somit vorteilhaft zu verkleinern. Ferner vorzugsweise umfasst das Mittel zur Abführung der Druckluft ein Auslassventil.
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Vorzugsweise kann auch die Hüllstruktur selber der expandierbare Volumenkörper sein bzw. mit dem Volumenkörper identisch sein. Durch Füllen und Ablassen eines Mediums in den Volumenkörper kann somit direkt der Grad der Umhüllung eines Werkzeugs durch die Hüllstruktur eingestellt werden.
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Vorzugsweise liegt die Hüllstruktur des Sicherungssystems in der Form eines Hohlzylinders vor, wobei die Hüllstruktur eingerichtet ist, das Werkzeug zumindest teilweise innerhalb seiner Form aufzunehmen. In anderen Worten wird das Werkzeug zumindest teilweise durch die zylindrische Form der Hüllstruktur verdeckt, wenn das Volumen des Volumenkörpers expandiert. Der Begriff „Hohlzylinder“ ist hier nicht streng mathematisch zu verstehen, sondern soll jede zylinderartige, aber auch kegelartige oder kugelstumpfartige Form umfassen, in deren Inneren das Werkzeug aufgenommen, d.h. umhüllt werden kann.
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Vorzugsweise ist der Volumenkörper ein Schaumstoffkörper, der durch Füllung mit dem Medium vergrößerbar ist. Vorzugsweise ist der Schaumstoffkörper von einer gasdichten Schicht umhüllt, sodass das Medium nicht entweichen kann. Die Schicht kann bsp. eine separate Folie o.ä. sein, oder aber vom Material des Schaumstoffkörpers selbst gebildet sein, d.h. integral mit dem Schaumstoffkörper sein. Durch Absaugen oder Einblasen von Luft aus oder in den Schaumstoffkörper kann das Volumen variiert werden, womit sich die Schutzfunktion des Sicherungssystems steuern lässt.
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Vorzugsweise ist der Volumenkörper ein gasdichtes Kissen, wie etwa ein Aufblaskörper, welches durch Füllung mit dem Medium expandiert werden kann. Der Volumenkörper kann dabei aus einem an sich dehnbaren Material gemacht sein, ähnlich einem Luftballon, oder aus einem eher wenig dehnbaren Material, wie es etwa bei Schlauchbooten zum Einsatz kommt. Im letzteren Fall hängt der Grad der Expansion des Volumenkörpers von dem Aufbau des Körpers ab und nicht so sehr von der Dehnbarkeit. Selbstverständlich sind auch Mischformen denkbar.
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Vorzugsweise weist die Hüllstruktur des Sicherungssystems Rückstellelemente auf, die eine definierte Kollabierung ermöglichen. Folglich kann etwa das gasdichte Kissen (der Aufblaskörper) durch Füllung mit dem Medium expandiert werden, und durch die Wirkung der Rückstellelemente kollabiert werden, insbesondere kontrolliert kollabiert werden. Vorzugsweise weisen die Rückstellelemente zumindest eine Feder, ein Gummielement oder einen Rückstellschlauch mit einer Faltenbalgstruktur auf. Vorteilhaft können die Rückstellelemente auch mehrere und/oder eine Kombination dieser Elemente aufweisen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Steuern eines Manipulators, wobei der Manipulator ein Werkzeug und ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem aufweist. Gemäß dem Verfahren wird durch Zuführen des Mediums in den Volumenkörper der Hüllstruktur das Volumen des Volumenkörpers vergrößert, wodurch das Werkzeug teilweise umhüllt wird.
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Vorzugsweise wird in einem weiteren Verfahrensschritt durch Abführen des Mediums aus dem expandierbaren Volumenkörper das Werkzeug wieder freigegeben oder freigelegt. Anschließend kann das Werkzeug verwendet werden. Das Abführen kann bsp. ein passives Ablassen des Mediums durch Öffnen eines Ventils umfassen, oder aber auch das aktive entleeren (evakuieren) mittels einer Pumpe o.ä.
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Ein erfindungsgemäßes Robotersystem umfasst einen Manipulator, ein Werkzeug und ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem. Vorzugsweise ist der Manipulator ein automatisch oder handgeführter mehrachsiger Gelenkarmroboter.
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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 ein Robotersystem mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssystem;
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2 das Robotersystem von 1 in einer anderen Konfiguration;
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3a eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Sicherungssystems von 1;
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3b eine schematische, dreidimensionale Ansicht des Sicherungssystems von 1;
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4 ein weiteres erfindungsgemäßes Sicherungssystem; und
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5 und 6 jeweils eine Querschnittsansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Sicherungssystems in unterschiedlichen Konfigurationen.
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1 zeigt ein Robotersystem umfassend einen Manipulator 1, und ein Sicherungssystem 3, welches am Handflansch des Roboters befestigt ist. Der Manipulator 1 ist ein Gelenkarmroboter und nur schematisch skizziert. Das Sicherungssystem 3 ist dabei in einer Konfiguration, in der es das Werkzeug des Manipulators 1 vollständig umhüllt. Hierzu wurde der Volumenkörper des Sicherungssystems mit einem Medium, bsp. Luft, gefüllt, bis er die gezeigte Größe aufweist. Somit ist der Zugriff auf das Werkzeug von außen eingeschränkt, sodass die Schutzfunktion auch wirkt, wenn sich der Manipulator nicht bewegt. Der Manipulator kann dabei unterschiedliche Formen aufweisen und ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.
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2 zeigt das Robotersystem aus 1 in einer anderen Konfiguration. Das Sicherungssystem 3 ist in einem zurückgezogenen Zustand, sodass das Werkzeug 2 entblößt bzw. freigelegt ist. Hierzu wurde das Medium abgelassen bzw. abgeführt, woraufhin der Volumenkörper kollabiert ist. Vorteilhaft sind das Werkzeug 2, und insbesondere die Werkzeugspitze, von dem Sicherungssystem 3 umschlossen, wie in 1 gezeigt, wenn keine Arbeiten mit dem Werkzeug 2 durchgeführt werden. Kurz bevor das Werkzeug 2 zum Bearbeiten verwendet werden soll, gibt das Sicherungssystem 3 das Werkzeug 2 frei, wie in 2 gezeigt.
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3a zeigt das Sicherungssystem 3 in einer schematischen Querschnittsansicht. Das Sicherungssystem 3 umfasst dabei eine Hüllstruktur 30, die einen Volumenkörper 31 aufweist. Hüllstruktur 30 und Volumenkörper 31 sind in Form eines Hohlzylinders ausgebildet. Weiter umfasst das Sicherungssystem eine Befestigungsplatte 34, an der die Hüllstruktur 30 angebracht ist und die außerdem zur Befestigung des Sicherungssystems 3 an bsp. dem Manipulator 1 dient. Auch das Werkzeug 2 kann an der Befestigungsplatte 34 angeschlossen sein. Die zylindrische Form des Volumenkörpers 31 ist in der schematischen, dreidimensionalen Ansicht der 3b skizziert. Der Volumenkörper 31 ist aufblasbar durch die Zuführung von Druckluft. Die notwendigen Elemente hierzu, wie Ventile, Schläuche etc. sind in den Figuren nicht abgebildet. Im Inneren des zylinderartigen Volumenkörpers 31 befindet sich das Werkzeug 2 und ist somit beinahe vollständig umhüllt. Dies reduziert die Verletzungs- oder Beschädigungsgefahr, die von einem gefährlichen Werkzeug ausgeht erheblich. Die Hüllstruktur weist weiter Rückstellelemente 32 auf, die dafür sorgen, dass der Volumenkörper 31 kontrolliert kollabiert und nicht etwa beim Kollabieren an der Spitze des Werkzeugs 2 hängen bleibt. Die Rückstellelemente sind nur schematisch angedeutet und können bsp. Federelemente, Gummielemente oder auch Schläuche sein, mit denen eine geeignete Führung des Volumenkörpers möglich ist.
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Wenn die Luft aus dem Volumenkörper 31 – beispielsweise durch Öffnen eines Ventils oder durch Abpumpen – entfernt wird, verringert sich das Volumen desselben, so dass sie sich (in der 3a) nach links zurückzieht. Dies wird durch die Rückstellelemente 33 unterstützt und geführt. Diese Situation ist in 2 gezeigt. Die Rückstellelemente 31 können dabei auch in den Volumenkörpers 31 integriert sein. So kann beispielsweise der Volumenkörper 31 mit einer besonderen Kontur oder Struktur ausgebildet sein, die eine kontrollierte Kollabierung (Zurückstellung) bewirkt. Dies ist in 4 schematisch illustriert.
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4 zeigt ein Sicherungssystem 3‘, umfassend einen Volumenkörper 31‘ mit einer Faltenbalgstruktur. Dieser Volumenkörper 31‘ ist dabei eingerichtet, um eine lineare Vor- und Zurückstellung des Sicherungssystems 3‘ in Werkzeugfreigaberichtung zu ermöglichen bzw. zu unterstützen. Die Faltenbalgstruktur erlaubt es dabei auf weitere Rückstellelemente zu verzichten, obwohl diese natürlich auch noch zusätzlich vorhanden sein können. Die Funktionsweise des Sicherungssystems 3‘ ist ansonsten identisch mit dem Sicherungssystem 3.
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Die 5 und 6 zeigen ein weiteres erfindungsgemäßes Sicherungssystem 4, welches zum Umhüllen eines Werkzeugs 2 eingesetzt wird. Im gesicherten Zustand, wie in 5 dargestellt, umhüllt das Sicherungssystem 4 das Werkzeug 2, und im entsicherten Zustand, wie in 6 dargestellt, ist zumindest die Spitze des Werkzeugs 2 freigegeben. Das Sicherungssystem 4 weist eine Hüllstruktur 40 auf, die im Wesentlichen aus einem Volumenkörper besteht, der bevorzugt als Schaumstoffkörper 41 ausgebildet ist. Der Schaumstoffkörper 41 ist von einer Schicht 43 umgeben, welche vorzugsweise gasdicht ausgebildet ist. Im Ruhezustand, wenn keine zusätzlichen Kräfte auf das Sicherungssystem 4 wirken, ist der Schaumstoffkörper 41 im expandierten Zustand (5) und die Sicherungsfunktion ist aktiv.
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Vor Beginn eines Bearbeitungsprozesses wird der Schaumstoffkörper 41 evakuiert, wie durch die Pfeile dargestellt. Dies kann beispielsweise mithilfe von Pumpen durchgeführt werden. Dabei kann Gas, welches sich in den Poren des Schaumstoffkörpers 41 befindet, dem System entzogen werden, wodurch sich das Volumen des Schaumstoffkörpers 41 verringert. Dies führt zu einem Zurückziehen des Schaumstoffkörpers 41, wodurch das Werkzeug 2 freigeben wird, wie in 6 gezeigt.
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Folglich ist in diesem Zustand die Schutzfunktion des Sicherungssystems 4 aufgehoben und der Bearbeitungsprozess kann gestartet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass der Ruhezustand dem in 6 gezeigten Zustand entspricht und der Schaumstoffkörper 41 erst durch Expansion mittels z.B. Druckluft vergrößert und in die Konfiguration von 5 überführt wird.
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Durch Absaugen oder Zuführen von Luft aus dem Schaumstoffkörper kann das Volumen und die Kontur des Schaumstoffkörpers verändert werden, womit wiederum der Werkzeugschutz aktiviert und deaktiviert werden kann.
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Vorzugsweise wird die Hüllstruktur und/oder der Volumenkörper an das Werkzeug angepasst. Hierzu können beispielsweise basierend auf den Werkzeugen Negativformen erstellt werden, die zur Herstellung der werkzeugspezifischen Sicherungssysteme aus beispielsweise Schaumstoff verwendet werden können. Das erfindungsgemäße Schutzsystem ermöglicht somit eine effiziente Abschirmung von Werkzeugen in bsp. MRK-Systemen. Ferner erlaubt es bei Bedarf eine gute Zugänglichkeit der Werkzeuge. Durch die bevorzugte pneumatische Ansteuerung des Schutzsystems kann die Schutzfunktion einfach und mit geringem Aufwand zu- und abgeschaltet werden und die Systeme benötigen nur wenig Raum.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulator
- 2
- Werkzeug
- 3, 3‘, 4
- Sicherungssystem
- 30, 40
- Hüllstruktur
- 31
- Volumenkörper
- 31‘
- Volumenkörper mit Faltenbalgstruktur
- 32
- Rückstellelemente
- 34
- Befestigungsplatte des Sicherungssystems
- 41
- Volumenkörper (Schaumstoffkörper)
- 43
- gasdichte Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012217764 A1 [0005]
