DE102015120485B3

DE102015120485B3 - Manipulator with monitoring of external load moments

Info

Publication number: DE102015120485B3
Application number: DE102015120485.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Fürstenberger
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: WO2017089083A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehrachsigen Manipulator (10) und mindestens ein zugehöriges Verfahren. Bei der Ausführung einer Befestigungshandlung, insbesondere beim Befestigen eines Manipulatorwerkzeugs, wird ein Lastmoment (ML) von außen an der Manipulatorhand (12) aufgebracht. Zumindest während der Befestigungshandlung werden Momente (M1–M7) an den Bewegungsachsen (I–VII) des Manipulators (10) erfasst und aus diesen Momenten (M1–M7) wird das äußere Lastmoment (ML) ermittelt. Wenn das Lastmoment (ML) einen Grenzwert überschreitet, insbesondere maximales Anziehmoment, kann eine Sicherheitshandlung ausgelöst werden, beispielsweise in der Form einer Ausweichbewegung des Manipulators (10).The present invention relates to a multi-axis manipulator (10) and at least one associated method. In the execution of a fastening action, in particular when attaching a manipulator tool, a load torque (ML) from the outside of the manipulator hand (12) is applied. At least during the attachment action, moments (M1-M7) are detected at the axes of movement (I-VII) of the manipulator (10), and from these moments (M1-M7) the external load torque (ML) is determined. If the load torque (ML) exceeds a limit value, in particular maximum tightening torque, a safety action can be triggered, for example in the form of an evasive movement of the manipulator (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrachsigen Manipulator, dessen Steuerung sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines von außen aufgebrachten Lastmoments. The invention relates to a multi-axis manipulator, its control and a method for determining a load torque applied from the outside.

Bei dem mehrachsigen Manipulator handelt es sich bevorzugt um einen Leichtbauroboter. Der Manipulator umfasst eine Basis, eine Manipulatorhand und eine Mehrzahl an dazwischen angeordneten beweglichen Gliedern. Durch Ansteuerung von Bewegungsachsen des Manipulators sind die Glieder sowie die Manipulatorhand bewegbar. An einer oder mehreren Bewegungsachsen sind Drehmomente durch Kraft- oder Momentensensoren erfassbar. The multi-axis manipulator is preferably a lightweight robot. The manipulator comprises a base, a manipulator hand and a plurality of movable members arranged therebetween. By driving movement axes of the manipulator, the links and the manipulator hand are movable. Torques can be detected by force or torque sensors at one or more axes of motion.

Die in der Praxis bekannten Manipulatoren weisen eine Schnittstelle zur Befestigung eines Manipulatorwerkzeugs (auch Tool genannt) an der Manipulatorhand auf. An dieser Schnittstelle sind Befestigungsaufnahmen vorgesehen, die in der Regel als Gewindebohrungen oder Gewindeeinsätze ausgeführt sind. Das Manipulatorwerkzeug wird demzufolge bevorzugt durch Verschraubung an der Manipulatorhand befestigt. The manipulators known in practice have an interface for attaching a manipulator tool (also called a tool) to the manipulator hand. At this interface fastening receptacles are provided, which are usually designed as threaded holes or threaded inserts. The manipulator tool is therefore preferably fastened by screwing on the manipulator hand.

Bei der in der Praxis bekannten Manipulatoren und Manipulatorwerkzeugen ist häufig der verfügbare Freiraum um die Schraubstellen bzw. Gewindebohrungen oder Gewindeeinsätze sehr eng. Um eine dauerhaft feste Verschraubung zu gewährleisten sollten die Schrauben mit einem bestimmten Maximaldrehmoment angezogen werden. Wenn das aufgebrachte Anschraubmoment zu gering ist, also das maximale Anziehmoment nicht erreicht, besteht die Gefahr, dass sich die Schrauben im Betrieb lockern oder möglicherweise komplett lösen. Wird allerdings ein Anschraubmoment aufgebracht, dass das maximale Anziehmoment überschreitet oder sogar deutlich überschreitet, kommt es regemäßig zu Beschädigungen an den Schraubstellen, insbesondere an den Gewindebohrungen oder Gewindeeinsätzen (Helicoils). In the known in practice manipulators and manipulator tools is often the available space around the screw holes or threaded holes or threaded inserts very close. To ensure a permanently fixed screw connection, the screws should be tightened with a certain maximum torque. If the applied bolting torque is too low, ie does not reach the maximum tightening torque, there is a risk that the bolts will loosen during operation or possibly loosen completely. If, however, a bolting torque is applied that exceeds or even significantly exceeds the maximum tightening torque, it will cause regular damage to the bolting points, in particular to the threaded holes or threaded inserts (helicoils).

Es kommt vor, dass bei einem Werkzeugwechsel entweder kein Drehmomentschlüssel und auch kein anderes geeignetes Werkzeug mit einer Möglichkeit zur mechanischen Begrenzung des Anzugsmoments vorhanden sind, oder dass ein solches Werkzeug wegen der beschränkten Raumverhältnisse nicht eingesetzt werden kann. Dann werden die Verschraubungen mit einem starren bzw. das Drehmoment nicht begrenzenden Werkzeug (Schraubenschlüssel, Steckschlüssel, Sechskantschlüssel und der Gleichen) und oft lediglich nach dem Gefühl des jeweiligen Werkers angezogen. Dadurch kommt es häufig zu den oben beschriebenen Problemen der Lockerung einer Verschraubung oder der Beschädigung eines Gewindes.It can happen that when changing tools either no torque wrench or other suitable tool with a possibility for mechanical limitation of the tightening torque are available, or that such a tool can not be used because of the limited space. Then the glands are tightened with a rigid or torque-limiting tool (wrench, socket wrench, hex wrench and the like) and often only to the feel of the respective worker. This often leads to the problems described above of loosening a screw or damaging a thread.

Aus DE 10 2015 002 764 A1 ist eine Robotersteuerung bekannt, die aus einer gemessenen Kraft eines Kraftsensors eine solche geschätzte Kraft eliminiert, die aufgrund des Gewichtes des Roboterarms und seiner Hand, und einer Trägheitskraft aufgrund des Betriebs dieser Teile an dem Punkt einwirkt, wo der Kraftsensor angebracht ist. Der Kraftsensor ist am unteren Abschnitt der Roboterbasis angebracht oder alternativ in den Roboterarm eingebettet. Er kann drei Komponenten einer Kraft detektieren, nämlich in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung. Die Kraft, die aufgrund des Gewichtes des Roboterarms und seiner Hand, und einer Trägheitskraft aufgrund des Betriebs dieser Teile an dem Punkt einwirkt, wo der Kraftsensor angebracht ist, wird durch eine Kraftabschätzeinheit geschätzt, wenn der Roboterarm nicht mi einem externen Umfeld in Kontakt ist, und gespeichert. Wenn der Roboter mit einem externen Umfeld in Kontakt ist, wird die geschätzte Kraft aus der gemessenen Kraft am Kraftsensor subtrahiert. Out DE 10 2015 002 764 A1 For example, there is known a robot controller which eliminates such estimated force from a measured force of a force sensor acting on the basis of the weight of the robot arm and its hand, and an inertial force due to the operation of these parts at the point where the force sensor is mounted. The force sensor is attached to the lower portion of the robot base or alternatively embedded in the robotic arm. It can detect three components of a force, namely in the X direction, in the Y direction and in the Z direction. The force acting on the point where the force sensor is mounted, due to the weight of the robotic arm and its hand, and an inertial force due to the operation of these parts, is estimated by a force estimation unit when the robotic arm is not in contact with an external environment, and saved. When the robot is in contact with an external environment, the estimated force is subtracted from the measured force on the force sensor.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie aufzuzeigen, durch die Verschraubungen mit dem korrekten maximalen Anziehmoment auch ohne ein spezielles Werkzeug zu gewährleisten sind, insbesondere ohne ein Werkzeug, mit dem das Anzugsmoment begrenzt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen in den eigenständigen Ansprüchen. It is an object of the present invention to provide a technology that can be ensured by the screw with the correct maximum tightening torque without a special tool, especially without a tool with which the tightening torque can be limited. The invention solves this problem with the features in the independent claims.

Nachfolgend wird der Begriff „Befestigungsstelle“ repräsentativ für einen Ort bzw. eine Struktur an der Manipulatorhand verwendet, an der ein Lastmoment zur Befestigung eines Manipulatorwerkzeugs aufgebracht werden kann, wobei die Lage der Momentenachse (Lastmomentachse) sowie deren Orientierung i.d.R. durch die Befestigungsstelle vorgegeben sind. Die Befestigungsstelle kann beispielsweise eine Gewindebohrung, ein Gewindeeinsatz oder ein Gewindestift / Gewindebolzen sein. Die Befestigungsstelle kann insbesondere eine beliebig ausgebildete Schraubstelle sein. Hereinafter, the term "attachment point" is used representative of a location or a structure on the manipulator hand to which a load torque for attachment of a manipulator tool can be applied, the position of the torque axis (load torque axis) and their orientation i.d.R. are predetermined by the attachment point. The attachment point may be, for example, a threaded hole, a threaded insert or a threaded pin / threaded bolt. The fastening point can in particular be an arbitrarily designed screw point.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein mehrachsiger Manipulator, insbesondere ein Leichtbauroboter oder Industrieroboter, mit einer Basis, einer Manipulatorhand und einer Mehrzahl an dazwischen angeordneten beweglichen Gliedern vorgesehen, die über Ansteuerung der Bewegungsachsen des Manipulators bewegbar sind. Der Manipulator weist eine Drehmomenterfassung für die Drehmomente in den Bewegungsachsen auf. Die Erfassung kann insbesondere für Reaktionsmomente erfolgen, die durch entsprechende Gegenmomente der Bewegungsachsen (Antriebe / Aktuatoren) kompensiert werden, um den Manipulator in einer starren Haltung verharren zu lassen. According to a first aspect of the present disclosure, a multi-axis manipulator, in particular a lightweight robotic robot or industrial robot, is provided with a base, a manipulator hand and a plurality of movable members arranged therebetween, which are movable via control of the axes of movement of the manipulator. The manipulator has a torque detection for the torques in the axes of movement. The detection can be done in particular for reaction moments, which are compensated by corresponding counter-moments of the axes of motion (drives / actuators) to leave the manipulator in a rigid posture.

Die Drehmomenterfassung kann in beliebiger Weise erreicht werden, insbesondere durch Kraft- oder Momentensensoren, die an zumindest zwei der Bewegungsachsen vorgesehen sind. Solche Kraft- oder Momentensensoren erfassen insbesondere das zwischen zwei angrenzenden Gliedern bzw. zwischen der Basis und dem ersten Glied auftretende Moment um die zugehörige Bewegungsachse. The torque detection can be achieved in any manner, in particular by force or torque sensors, which are provided on at least two of the axes of movement. Such force or torque sensors detect, in particular, the torque occurring between two adjoining members or between the base and the first member about the associated movement axis.

Der Manipulator ist dazu ausgebildet, aus den ermittelten Momenten an den überwachten Bewegungsachsen ein von außen an der Manipulatorhand aufgebrachtes Lastmoment zu ermitteln. Bei diesem Lastmoment handelt es sich insbesondere um ein beim Befestigen eines Werkzeugs an der Manipulatorhand aufgebrachtes Anschraubmoment. The manipulator is designed to determine from the determined moments on the monitored axes of motion a load torque applied externally to the manipulator hand. This load torque is in particular a bolting torque applied when attaching a tool to the manipulator hand.

Der Manipulator weist bevorzugt eine Manipulatorsteuerung auf oder ist mit einer solchen Steuerung verbunden. Die Steuerung kann gegebenenfalls Zugriff auf die Kraft- oder Momentensensoren des Manipulators bzw. deren Signale haben und ein Verfahren zur Ermittlung des von außen aufgebrachten Lastmoments ausführen. Mit anderen Worten ist die Manipulatorsteuerung bevorzugt dazu ausgebildet, ein Lastmoment-Ermittlungsverfahren auszuführen. The manipulator preferably has a manipulator control or is connected to such a controller. The controller may optionally have access to the force or torque sensors of the manipulator or their signals and perform a method for determining the externally applied load torque. In other words, the manipulator control is preferably designed to carry out a load torque determination method.

Im Folgenden werden verschiedene weitere Ausführungsschritte erläutert, die in beliebiger Kombination oder einzeln durch ein oder mehrere Verfahren umsetzbar sind. Diese Verfahren können insbesondere in Form eines ausführbaren Codes, d.h. in Form von Software vorliegen. Die Software kann als Softwareprodukt vorliegen, das beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Software als ausgeführter Programmcode in einer Datenverarbeitungseinrichtung vorliegen, die beispielsweise Bestandteil des Manipulators oder der Manipulatorsteuerung ist. Wiederum alternativ kann die Datenverarbeitungseinrichtung in einer separaten Steuerung enthalten sein, die nur temporär mit dem Manipulator und/oder der Manipulatorsteuerung verbunden ist. Eine solche separate Steuerung kann eine Fernsteuerung, ein Programmiertool oder ein Wartungstool sein. In the following, various further execution steps are explained, which can be implemented in any combination or individually by one or more methods. In particular, these methods may be in the form of an executable code, i. in the form of software. The software can be in the form of a software product which is stored, for example, on a machine-readable data carrier. Alternatively or additionally, the software may be present as executed program code in a data processing device, which is for example part of the manipulator or the manipulator control. Again alternatively, the data processing device may be contained in a separate controller, which is only temporarily connected to the manipulator and / or the manipulator control. Such a separate controller may be a remote controller, a programming tool, or a maintenance tool.

Nachfolgend wird repräsentativ für die vorgenannten Ausführungsmöglichkeiten und Verfahrensarten die Formulierung verwendet, dass der Manipulator dazu ausgebildet ist, einen bestimmten Verarbeitungsschritt auszuführen. Diese Formulierung steht inhaltlich ebenfalls dafür, dass ein Steuerungsverfahren für einen Manipulator den entsprechenden Schritt enthält und/oder dass ein Softwareprodukt der vorgenannten Art den entsprechenden Schritt umfasst, sowie dass die Manipulatorsteuerung oder die separate Steuerung dazu ausgebildet sind, den entsprechenden Schritt zu umfassen bzw. auszuführen. In the following, the formulation that the manipulator is designed to carry out a specific processing step is used as a representative of the abovementioned embodiments and methods. This formulation also stands for the fact that a control method for a manipulator contains the corresponding step and / or that a software product of the aforementioned type comprises the corresponding step, and that the manipulator control or the separate controller are designed to include the corresponding step or perform.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Manipulator bevorzugt weiterhin dazu ausgebildet, eine Sicherheitshandlung auszuführen, wenn das ermittelte Lastmoment einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder überschreitet, d.h. es wird ein Überwachungsverfahren oder ein Sicherheitsverfahren ausgeführt. Der Manipulator überwacht während eines Anschraubvorgangs bevorzugt ständig das aufgebrachte Lastmoment bzw. Anschraubmoment und vergleicht es mit dem statisch oder einstellbar vorgegebenen maximalen Anziehmoment. Die bei Erreichen oder Überschreiten des Anziehmoments ausgelöste Sicherheitshandlung kann von beliebiger Art sein. According to another aspect of the present disclosure, the manipulator is preferably further configured to perform a safety action when the determined load torque reaches or exceeds a predetermined threshold, i. a monitoring procedure or a security procedure is carried out. During a screwing operation, the manipulator preferably constantly monitors the applied load torque or bolting torque and compares it with the statically or adjustably predetermined maximum tightening torque. The safety action triggered when the tightening torque is reached or exceeded can be of any type.

Einerseits kann die Sicherheitshandlung bevorzugt das Ausgeben einer Warnung umfassen. Eine solche Warnung kann an einen Werker und/oder die technische Einrichtung gerichtet sein, durch die das äußere Lastmoment, insbesondere ein Anschraubmoment aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Warnung an die separate Steuerung gerichtet sein. On the one hand, the security action may preferably include issuing a warning. Such a warning may be directed to a worker and / or the technical device by which the external load torque, in particular a bolting torque is applied. Alternatively or additionally, the warning may be directed to the separate controller.

Die Warnung kann einzeln oder in Kombination ein akustisches Signal, ein optisches Signal oder ein Datensignal bzw. eine Mitteilung umfassen. Auf die Warnung hin können weitere Sicherheitsmaßnahmen ausgelöst werden. The alert may include, singly or in combination, an audible signal, an optical signal, or a data signal or message. Following the warning, further security measures can be triggered.

Andererseits kann eine Sicherheitshandlung bevorzugt eine Ansteuerung des Manipulators umfassen. Die Ansteuerung kann insbesondere dazu dienen eine noch weitere Überschreitung des maximalen Anziehmoments zu vermeiden, insbesondere indem der Manipulator zu einer Ausweichbewegung veranlasst wird. On the other hand, a security action may preferably include an activation of the manipulator. The activation can in particular serve to avoid an even further exceeding of the maximum tightening torque, in particular by causing the manipulator to make an evasive movement.

Eine Ausweichbewegung kann beliebig definiert sein. Sie kann sich aus einer einzelnen oder mehreren Bewegungen der Glieder des Manipulators zusammensetzen. Bevorzugt umfasst eine Ausweichbewegung eine Drehung der Manipulatorhand in der Richtung des Lastmoments. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausweichbewegung eine Drehung der Manipulatorhand um die Lastmomentachse umfassen. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann eine Ausweichbewegung eine Verlagerung der Manipulatorhand in der Richtung der Lastmomentachse umfassen. An evasive movement can be defined as desired. It can be composed of a single or multiple movements of the limbs of the manipulator. Preferably, an evasive movement comprises a rotation of the manipulator hand in the direction of the load moment. Alternatively or additionally, an evasive movement may include a rotation of the manipulator hand about the load moment axis. Again alternatively or additionally, an evasive movement may include a displacement of the manipulator hand in the direction of the load moment axis.

Die Ausweichbewegung dient also bevorzugt dazu, die Verschraubungsstelle in der Richtung des Lastmoments wegzudrehen, so dass das Lastmoment nicht mehr zu einem weiteren Anziehen der Schraubverbindung nutzbar ist und/oder zumindest einen Teil der Schraubverbindung von dem Werkzeug zu lösen, durch welches das äußere Lastmoment aufgebracht wird. Die Art der Ausweichbewegung kann von dem verwendeten Werkzeug abhängig sein. The evasive movement therefore preferably serves to turn the screwing point away in the direction of the load torque, so that the load torque can no longer be used to further tighten the screw connection and / or to detach at least part of the screw connection from the tool, through which the outer load torque is applied becomes. The nature of Evasive movement may depend on the tool used.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Manipulator bevorzugt dazu ausgebildet, einen Werkzeugwechselmodus bzw. einen Befestigungsmodus für die Ausführung einer Befestigungshandlung bereitzustellen. Die Befestigungshandlung umfasst zumindest das Aufbringen des äußeren Lastmoments an einer Befestigungsstelle, insbesondere das Ein- oder Aufschrauben und Anziehen eines Schraubkörpers. In accordance with another aspect of the present disclosure, the manipulator is preferably configured to provide a tool change mode or mode for performing a fastener action. The fastening action comprises at least the application of the external load torque to an attachment point, in particular the screwing or screwing on and tightening a screw body.

In einem solchen Modus kann eine Befestigungsstelle definiert werden (bspw. von einem Werker oder einer externen Steuerung), an der ein Lastmoment aufgebracht werden soll. Beispielsweise kann durch manuelle Dateneingabe oder durch ein Auswahlmenü eine bestimmte Befestigungsstelle, insbesondere ein bestimmtes Gewinde, definiert werden, an dem eine Verschraubung erfolgen soll. Mit anderen Worten kann der Manipulator durch Auswahl oder Eingabe erfassen, an welcher geometrischen Position und/oder um welche Lastmomentachse ein Lastmoment zu erwarten ist. In such a mode, an attachment location may be defined (eg, by a worker or an external controller) to which a load torque is to be applied. For example, by manual data entry or by a selection menu, a specific attachment point, in particular a specific thread, can be defined, at which a screwing is to take place. In other words, the manipulator can detect by selection or input, at which geometric position and / or around which load torque axis a load torque is to be expected.

Der Manipulator ist weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet, eine bestimmte Pose für die Ausführung eines Werkzeugwechsels und insbesondere für die Vornahme einer Befestigungshandlung bzw. einer Verschraubung einzunehmen. Die Pose ist bevorzugt derart gewählt, dass sie die Ermittlung des Lastmoments begünstigt und insbesondere rechnerisch vereinfacht. Ferner kann durch die Pose eine geometrische Beziehung zwischen den Kraft- oder Momentensensoren, deren Messsignale ausgewertet werden, und dem aufgebrachten Lastmoment bzw. der Lastmomentachse erzeugt werden, die eine besonders genaue oder robuste Ermittlung bzw. Überwachung ermöglicht. The manipulator is furthermore preferably designed to take a certain pose for the execution of a tool change and in particular for the execution of a fastening action or a screw connection. The pose is preferably chosen such that it favors the determination of the load torque and in particular simplifies the calculation. Furthermore, by the pose, a geometric relationship between the force or torque sensors whose measurement signals are evaluated, and the applied load torque or the load torque axis can be generated, which allows a particularly accurate or robust detection or monitoring.

In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben. In the subclaims, the following description and the accompanying drawings further advantageous embodiments of the invention are given.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen: The invention is illustrated by way of example and schematically in the drawings. Show it:

1: einen siebenachsigen Leichtbauroboter in einer gestreckten Pose; 1 : a seven-axis lightweight robot in a stretched pose;

2: den Leichtbauroboter aus 1 in einer Pose zur Durchführung eines Befestigungsvorgangs; 2 : the lightweight robot 1 in a pose for performing a fastening operation;

3 und 4: Teildarstellungen des Manipulators aus 2 zur Erläuterung von mechanischen Berechnungen. 3 and 4 : Partial views of the manipulator 2 to explain mechanical calculations.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Manipulator (10) in einer gestreckten Pose. Der Manipulator (10) umfasst eine Basis (B), über die er beispielsweise stationär fixiert ist oder mit einer zusätzlichen Bewegungsachse verbunden ist. In dem gezeigten Beispiel umfasst der Manipulator sechs Glieder (G1 bis G6). Das Glied G1 ist über eine erste Bewegungsachse (I) mit der Basis (B) verbunden. Das zweite Glied (G2) ist über eine weitere Bewegungsachse (II) mit dem ersten Glied (G1) verbunden. Alle weiteren Glieder (G6 bis G3) sind ebenfalls über jeweilige Bewegungsachsen (III bis VI) mit dem vorhergehenden Glied (G5 bis G2) verbunden. 1 shows a manipulator according to the invention ( 10 ) in a stretched pose. The manipulator ( 10 ) comprises a base (B) over which it is fixed, for example, stationary or connected to an additional axis of movement. In the example shown, the manipulator comprises six members (G1 to G6). The member G1 is connected to the base (B) via a first movement axis (I). The second member (G2) is connected to the first member (G1) via another movement axis (II). All other members (G6 to G3) are also connected via respective axes of motion (III to VI) to the preceding member (G5 to G2).

Eine Manipulatorhand (11) ist über eine siebte Bewegungsachse (7) mit dem sechsten Glied (G6) verbunden. A manipulator hand ( 11 ) is about a seventh axis of motion ( 7 ) is connected to the sixth link (G6).

Die Manipulatorhand (11) bildet mit anderen Worten ein siebtes Glied (G7). The manipulator hand ( 11 ) forms in other words a seventh member (G7).

An der Manipulatorhand (11) ist eine Schnittstelle für die Anbringung eines Manipulatorwerkzeugs vorgesehen, die hier beispielhaft als Flanschplatte ausgeführt ist. An oder in der Flanschplatte befinden sich ein oder mehrere Befestigungspunkte, die insbesondere als Gewindezapfen oder Gewindeeinsätze ausgeführt sind. In dem gezeigten Beispiel ist an der Flanschplatte ein Kranz von acht Gewindeeinsätzen dargestellt. Anstelle eines Gewindeeinsatzes kann ein beliebiges anderes Befestigungsmittel vorgesehen sein, an oder mit dem ein Manipulatorwerkzeug befestigbar ist, wobei zur Befestigung ein definiertes Anziehmoment erforderlich ist. Im Weiteren wird der Begriff Verschrauben bzw. Anschraubmoment repräsentativ für jede mögliche Befestigungsform verwendet, bei der ein begrenztes Anziehmoment aufgebracht werden soll. At the manipulator hand ( 11 ) An interface for the attachment of a manipulator tool is provided, which is exemplified here as a flange. On or in the flange are one or more attachment points, which are designed in particular as threaded pins or threaded inserts. In the example shown, a ring of eight threaded inserts is shown on the flange plate. Instead of a threaded insert, any other fastening means may be provided on or with which a manipulator tool can be fastened, wherein a defined tightening torque is required for fastening. Furthermore, the term screwing or screwing torque is used representative of any possible fastening form, in which a limited tightening torque is to be applied.

Durch den Befestigungspunkt bzw. hier die jeweiligen Gewinde (12) sind mögliche Lastangriffspunkte bzw. Lastmomentachsen (L) definiert. Zur vereinfachten Darstellung wird nachfolgend jeweils nur eine Lastmomentachse (L) betrachtet, die in einem bestimmten und identifizierbaren Gewinde (12) konzentrisch angeordnet ist. Es wird ferner vereinfachend davon ausgegangen, dass die Anordnung des Gewindes (12) eine Parallelität zwischen der Lastmomentachse (L) und der siebten Bewegungsachse (VII) vorgibt. Through the attachment point or here the respective thread ( 12 ) are defined load application points or Lastmomentachsen (L). For the sake of simplicity, only a load moment axis (L) will be considered below, which in a specific and identifiable thread (FIG. 12 ) is arranged concentrically. It is further simplified assuming that the arrangement of the thread ( 12 ) specifies a parallelism between the load moment axis (L) and the seventh movement axis (VII).

Der Manipulator ist bevorzugt dazu ausgebildet, eine Auswahl für alle möglichen bzw. für die Lastmomentüberwachung geeigneten Befestigungspunkte bereitzustellen. Ein Werker kann beispielsweise ein bestimmtes Gewinde (12) für die Vornahme einer Verschraubung selektieren. The manipulator is preferably designed to provide a selection for all possible or suitable for the load torque monitoring attachment points. For example, a worker can use a specific thread ( 12 ) to make a screw connection.

Der Manipulator ist bevorzugt dazu ausgebildet, eine Pose (P) für einen Werkzeugwechsel in Abhängigkeit von einem einstellbaren oder auswählbaren Angriffspunkt für das ermittelnde Lastmoment (ML) einzunehmen. Bevorzugt können für jeden auswählbaren Befestigungspunkt eine oder mehrere Posen vorbestimmt sein, aus denen etwaig zusätzlich eine Auswahl vorgenommen werden kann. The manipulator is preferably designed to pose (P) for a tool change in Dependence on an adjustable or selectable point of application for the determining load torque (ML). Preferably, one or more poses may be predetermined for each selectable attachment point, from which any additional selection may be made.

2 zeigt beispielhaft eine geeignete Pose, um in besonders einfacher Weise eine Lastmomentermittlung für das Festziehen einer Schraube gemäß der Lastmomentachse (L) zu ermöglichen. 2 shows an example of a suitable pose to allow in a particularly simple manner, a load torque determination for tightening a screw according to the Lastmomentachse (L).

Der Manipulator kann bevorzugt verschiedene Regelungskonzepte unterstützen. Er kann ferner bevorzugt mindestens zwei Möglichkeiten für das Halten eines Gliedes durch die zugehörige Bewegungsachse aufweisen, nämlich einerseits ein Halten durch Arretieren, beispielsweise durch Aktivieren einer mechanischen Bremse, und andererseits ein Halten durch Aufbringen eines gesteuerten Haltemoments. Das Haltemoment wird bevorzugt dynamisch derart eingestellt, dass das jeweilige Glied in der gewünschten Sollposition verbleibt. Mit anderen Worten wird das Haltemoment derart gewählt, dass es alle Reaktionsmomente kompensiert. The manipulator may preferably support various control concepts. He may also preferably at least two ways for holding a member by the associated axis of movement, namely on the one hand holding by locking, for example by activating a mechanical brake, and on the other hand holding by applying a controlled holding torque. The holding torque is preferably set dynamically such that the respective member remains in the desired desired position. In other words, the holding torque is chosen such that it compensates for all reaction moments.

Bei der in 2 dargestellten Pose sind bevorzugt die erste Bewegungsachse (I) und die siebte Bewegungsachse (VII) gemäß der vorgenannten Momentenregelung in der Sollposition gehalten. Das erste Glied (G1) wird also durch Aufbringung eines Moments (M1) gegenüber der Basis (B) in der gewünschten Position, hier insbesondere in der gewünschten Drehlage gehalten. Die Manipulatorhand (11) bzw. das siebte Glied (G7) wird durch ein weiteres Moment (M7) gegenüber dem sechsten Glied (G6) in der gewünschten Position gehalten. An allen anderen Bewegungsachsen kann beispielsweise durch Aktivierung einer Bremse eine starre Fixierung der momentanen Position erfolgen. At the in 2 Pose shown are preferably the first axis of movement (I) and the seventh axis of movement (VII) according to the aforementioned torque control held in the desired position. The first member (G1) is thus held by applying a torque (M1) relative to the base (B) in the desired position, in particular in the desired rotational position. The manipulator hand ( 11 ) or the seventh member (G7) is held in the desired position by a further moment (M7) relative to the sixth member (G6). On all other axes of motion, for example, by activating a brake, a rigid fixation of the current position can take place.

Die Pose (P) gemäß 2 ist für den Werkzeugwechsel derart gebildet, dass die Lastmomentachse (L), hier also insbesondere die Mittelachse der Schraubstelle bzw. des Gewindes (12), genau zu der ersten Bewegungsachse (I) und der siebten Bewegungsachse (VII) des Manipulators (10) parallel und beabstandet ausgerichtet ist. Weiterhin ist die Pose (P) derart gebildet, dass die Lastmomentachse (L) und die genannte Bewegungsachsen (I, VII) in einer gemeinsamen Ebene (E) angeordnet sind. Diese Pose ermöglicht eine besonders einfache und gleichzeitig genaue Ermittlung des Lastmoments (L) aus den Werten der Momente (M1, M7) an den Bewegungsachsen (I, VII). Zwischen der ersten Bewegungsachse (I) und der siebten Bewegungsachse (VII) besteht der orthogonale Abstand (a). Zwischen der Bewegungsachse (VII) und der Lastmomentachse (L) besteht der orthogonale Abstand (r). Die Abstände (a, r) verlaufen also in der Ebene (E) und senkrecht zu jeder der Achsen (I, VII, L). The pose (P) according to 2 is formed for the tool change such that the load moment axis (L), in this case in particular the center axis of the screw point or the thread ( 12 ), exactly to the first movement axis (I) and the seventh movement axis (VII) of the manipulator ( 10 ) is aligned parallel and spaced. Furthermore, the pose (P) is formed such that the load moment axis (L) and said movement axes (I, VII) are arranged in a common plane (E). This pose allows a particularly simple and at the same time accurate determination of the load torque (L) from the values of the moments (M1, M7) on the axes of motion (I, VII). The orthogonal distance (a) exists between the first movement axis (I) and the seventh movement axis (VII). Between the movement axis (VII) and the load moment axis (L) is the orthogonal distance (r). The distances (a, r) thus run in the plane (E) and perpendicular to each of the axes (I, VII, L).

In 2 ist beispielhaft ein Koordinatensystem (X, Y, Z) eingetragen. Die Bewegungsachsen (I, VII) und die Lastmomentachse (L) verlaufen alle parallel zu der Z-Achse. Die Abstände (a, r) sind parallel zur Y-Achse orientiert. Die hier gezeigte Pose hat verschiedene Vorteile. Einerseits werden Querkräfte, die bei der Verschraubung in Richtung der Z-Achse oder der Y-Achse wirken rechnerisch eliminiert, weil sie innerhalb der Ebene (E) liegen. Andererseits kann mit nur zwei Beziehungen aus den Werten der Momente (M1, M7) an den Bewegungsachsen (I, VII) der Wert des Lastmoments (ML) berechnet werden. Die in 2 dargestellte Querkraft (F), die entlang der X-Achse orientiert ist, kann ebenfalls im Zuge der Berechnung eliminiert werden. In 2 is an example of a coordinate system (X, Y, Z) registered. The axes of motion (I, VII) and the load torque axis (L) all run parallel to the Z-axis. The distances (a, r) are oriented parallel to the Y-axis. The pose shown here has several advantages. On the one hand, shear forces acting on the Z-axis or Y-axis glands are computationally eliminated because they lie within the plane (E). On the other hand, with only two relationships, the value of the load moment (ML) can be calculated from the values of the moments (M1, M7) on the axes of motion (I, VII). In the 2 shown lateral force (F), which is oriented along the X-axis, can also be eliminated in the course of the calculation.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beispielhaft eine mögliche Gleichung zur Berechnung des Lastmoments (ML) hergeleitet. In 3 ist dabei die Manipulatorhand (11) bzw. die Flanschplatte aus 2 separat dargestellt und kräftemäßig freigeschnitten. Alle für die Berechnung relevanten äußeren Kräfte und Momente sind angezeichnet. Das Lastmoment (ML) wird gemäß der Lastmomentachse (L) an der Schraubstelle (12) aufgebracht. In dem gezeigten Beispiel ist ein Werkzeug (13) in Form eines Sechskantschlüssels an die Schraubstelle (12) angesetzt. Durch den Sechskantschlüssel (13) wird neben dem Lastmoment (ML) etwaig eine Querkraft (F) in der X-Richtung aufgebracht. Durch das Moment (M7) an der siebten Bewegungsachse (VII) wird die Manipulatorhand (11) gemäß der vorerwähnten Regelung in der durch die Pose (P) vorgegebenen Position gehalten. Es gelten statische Bedingungen, so dass das Momentengleichgewicht gemäß der unten aufgeführten Beziehung berechnet werden kann. The following is with reference to the 3 and 4 for example, a possible equation for calculating the load torque (ML) derived. In 3 is the manipulator hand ( 11 ) or the flange plate 2 shown separately and cut free in terms of strength. All external forces and moments relevant for the calculation are indicated. The load moment (ML) is calculated according to the load moment axis (L) at the screw point ( 12 ) applied. In the example shown, a tool ( 13 ) in the form of a hexagonal wrench to the screw ( 12 ). Through the hex key ( 13 ), a lateral force (F) may be applied in the X-direction in addition to the load moment (ML). By the moment (M7) on the seventh axis of motion (VII), the manipulator hand ( 11 ) held in the predetermined by the pose (P) position according to the aforementioned regulation. Static conditions apply so that the moment equilibrium can be calculated according to the relationship given below.

In 4 ist der aus den Gliedern (G1 bis G7) gebildete Teil des Manipulators (10) in freigeschnittener Form dargestellt. Die Glieder (G1 bis G7) können beispielsweise durch Sperrung der jeweiligen Bewegungsachsen (II bis VI) fixiert sein. Wie vorerwähnt ist die Manipulatorhand (11, G7) gegenüber dem sechsten Glied (G6) durch die Momentenregelung in der starren Lage gehalten. Somit bilden alle Glieder (G1 bis G7) des Manipulators (10) einen starren Körper. Auf diesen wirken einerseits das Lastmoment (ML) gemäß der Lastmomentachse (L) und die Querkraft (F) sowie andererseits das Moment (M1) an der ersten Bewegungsachse (I). Es kann entsprechend auch hier gemäß der unten angeführten Berechnung ein Momentengleichgewicht aufgestellt werden. In 4 is the part of the manipulator formed by the links (G1 to G7) ( 10 ) shown in cut out form. The members (G1 to G7) can be fixed, for example, by blocking the respective movement axes (II to VI). As mentioned above, the manipulator hand ( 11 , G7) relative to the sixth member (G6) held by the torque control in the fixed position. Thus, all members (G1 to G7) of the manipulator ( 10 ) a rigid body. On the one hand act on this on the one hand, the load torque (ML) according to the load torque axis (L) and the lateral force (F) and on the other hand, the moment (M1) on the first movement axis (I). Correspondingly, a moment equilibrium can also be established here according to the calculation below.

Das Momentengleichgewicht um die siebte Achse (VII) bestimmt die erste Beziehung: M7 + ML + r·F = 0 The moment equilibrium about the seventh axis (VII) determines the first relationship: M7 + ML + r · F = 0

Diese Beziehung wird den folgenden Umformungen unterzogen: r·F = –M7 – ML This relationship is subjected to the following transformations: r · F = -M7 - ML

Es ergibt sich eine Zwischengleichung für die Kraft (F): F = –M7 – ML / r The result is an intermediate equation for the force (F): F = -M7 - ML / r

Das Momentengleichgewicht um die erste Achse (I) bestimmt eine zweite Beziehung: M1 + ML + (a + r)·F = 0 The moment balance around the first axis (I) determines a second relationship: M1 + ML + (a + r) * F = 0

Die Zwischengleichung für die Kraft (F) wird eingesetzt und weitere Umwandlungen werden vorgenommen: M1 + ML + (a + r)·( –M7 – ML / r) = 0 M1 + ML + –(a + r) / r·M7 + –(a + r) / r·ML = 0 M1 + (1 – (a + r) / r)·ML + –(a + r) / r·M7 = 0 r·M1 + (r – a + r)·ML – (a + r)·M7 = 0 r·M1 – a·ML – (a + r)·M7 = 0 a·ML = (a + r)·M7 – r·M1 The intermediate equation for the force (F) is used and further transformations are made: M1 + ML + (a + r) * (-M7 - ML / r) = 0 M1 + ML + - (a + r) / r * M7 + - (a + r) / r * ML = 0 M1 + (1 - (a + r) / r) * ML + - (a + r) / r * M7 = 0 r · M1 + (r - a + r) · ML - (a + r) · M7 = 0 r · M1 - a · ML - (a + r) · M7 = 0 a · ML = (a + r) · M7 - r · M1

Es ergibt sich die Endgleichung für das Lastmoment (ML): ML = a + r / a·M7 – r / a·M1 The result is the final equation for the load moment (ML): ML = a + r / a * M7 -r / a * M1

Somit lässt sich das Lastmoment (ML) aus den gemessenen Momenten (M1, M7) an der ersten Achse (I) und der siebten Achse (VII) bei bekannten Geometriefaktoren (a, r) berechnen. Thus, the load torque (ML) can be calculated from the measured moments (M1, M7) on the first axis (I) and the seventh axis (VII) with known geometry factors (a, r).

Auf Basis der Zwischengleichung für die Kraft (F) können durch Einsetzten des nunmehr bekannten Lastmoments (ML) auch die Höhe und Richtung der Kraft (F) ermittelt werden. On the basis of the intermediate equation for the force (F), the height and direction of the force (F) can also be determined by inserting the now known load torque (ML).

Der Fachmann wird leicht erkennen, dass er gemäß dem für die gezeigte Pose (P) dargestellten und erläuterten Beispiel andere Posen wählen kann, die ebenfalls zu einer Vereinfachung der Berechnung und/oder zur Erhöhung der Genauigkeit der Berechnung führen. Beispielsweise können die ersten drei Glieder (G1, G2, G3) gemäß der Darstellung in 1 übereinander ausgerichtet werden. Das vierte Glied (G4) und das fünfte Glied (G5) können dann orthogonal dazu gemäß einer Drehung um die vierte Bewegungsachse (IV) ausgerichtet werden. Das sechste Glied (G6) kann durch eine Drehung um die sechste Bewegungsachse (VI) so verdreht werden, dass die siebte Bewegungsachse (VII) parallel zu den co-linear ausgerichteten Bewegungsachsen (I, III) orientiert ist. In einer solchen Pose können beispielsweise nur die dritte Bewegungsachse und die siebte Bewegungsachse gemäß der oben genannten Momentenregelung in der besagten Position gehalten werden, während alle anderen Bewegungsachsen gesperrt werden. Durch die dritte Bewegungsachse (III) und die siebte Bewegungsachse (VII) ist dann eine Ebene (E) vorgegeben. Eine Schraubstelle (12), an der eine nächste Befestigung vorzunehmen ist, d.h. an der ein Lastmoment (ML) aufzubringen ist, kann dann durch eine Drehung der Manipulatorhand (11) bzw. der Flanschplatte in diese Ebene (E) hineingedreht werden. Anschließend kann eine Verschraubung vorgenommen werden wobei analog zu den oben genannten Berechnungen das Lastmoment (ML) aus den Momenten (M7, M3) an der siebten und der dritten Bewegungsachse (VII, III) berechenbar ist. One skilled in the art will readily recognize that, in accordance with the example illustrated and illustrated for the pose (P) shown, he may choose other poses that also result in simplifying the calculation and / or increasing the accuracy of the calculation. For example, the first three terms (G1, G2, G3) as shown in FIG 1 be aligned one above the other. The fourth member (G4) and the fifth member (G5) may then be oriented orthogonally thereto in accordance with a rotation about the fourth axis of movement (IV). The sixth member (G6) can be rotated by rotation about the sixth axis of motion (VI) so that the seventh axis of motion (VII) is oriented parallel to the co-linearly aligned axes of motion (I, III). In such a pose, for example, only the third movement axis and the seventh movement axis can be held in the said position according to the above-mentioned torque control, while all other movement axes are locked. By the third movement axis (III) and the seventh movement axis (VII) then a plane (E) is given. A bolting point ( 12 ), at which a next attachment is to be made, ie at which a load moment (ML) is to be applied, can then by rotation of the manipulator hand ( 11 ) or the flange plate in this plane (E) are screwed. Subsequently, a screwing can be carried out analogous to the calculations mentioned above, the load torque (ML) from the moments (M7, M3) on the seventh and the third axis of motion (VII, III) can be calculated.

Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Die zu den Ausführungsvarianten gezeigten, beschriebenen, beanspruchten oder in sonstiger Weise offenbaren Merkmale können in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden. Modifications of the invention are possible in various ways. The features shown, described, claimed or disclosed in any other way to the embodiments can be combined with each other in any arbitrary manner, replaced, supplemented or omitted.

Anstelle eines Leichtbauroboters kann ein Industrieroboter mit Momentensensorik vorgesehen sein. Die Manipulatorhand bzw. die Schnittstelle zur Anbindung eines Werkezeugs kann ausschließlich aus der Flanschplatte bestehen. Alternativ kann ein Adapter, ein Distanzstück, eine Werkzeugwechselvorrichtung o.Ä. im Sinne der vorliegenden Offenbarung als zusätzliches Element einen Teil der Manipulatorhand bilden, wobei die Befestigungsstelle bzw. das Gewinde an diesem zusätzlichen Element und mit starrem Bezug zum letzten Glied des Manipulators bzw. der Manipulatorhand angeordnet ist. Instead of a lightweight robot, an industrial robot can be provided with torque sensors. The manipulator hand or the interface for connecting a tool can consist exclusively of the flange plate. Alternatively, an adapter, a spacer, a tool changing device or the like. form part of the manipulator hand as an additional element according to the present disclosure, wherein the attachment point or the thread is arranged on this additional element and with a rigid relation to the last member of the manipulator or the manipulator hand.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Manipulator manipulator
11 11: Manipulatorhand / Flanschplatte Manipulator hand / flange plate
12 12: Schraubstelle / Befestigungsstelle Bolting / fastening point
13 13: Werkzeug Tool
a a: Abstand zwischen Achsen I und VII Distance between axes I and VII
r r: Abstand zwischen Achse VII und Lastangriffspunkt / Lastmomentachse Distance between axis VII and load application point / load torque axis
B B: Basis / FußBase / foot
E e: Gemeinsame Ebene der ersten Achse, siebten Achse und der Lastmomentachse Common plane of the first axis, seventh axis and the load torque axis
F F: Kraft / Querkraft orthogonal zur Ebene E / in x-RichtungForce / shear force orthogonal to plane E / in x-direction
G1 G1: Erstes Glied First member
G2 G2: Zweites Glied Second link
G3 G3: Drittes Glied Third member
G4 G4: Viertes Glied Fourth member
G5 G5: Fünftes Glied Fifth link
G6 G6: Sechstes Glied Sixth member
G7 G7: Siebtes Glied Seventh member
L L: Lastmomentachse / Lastangriffspunkt Load torque axis / load application point
I–VII I-VII: Bewegungsachsen motion axes
x, y, z x, y, z: Koordinaten coordinates

Claims

Multi-axis manipulator, in particular lightweight robots or industrial robots, with a base (B), a manipulator hand ( 12 ) and a plurality of movable members (G1-G7) arranged therebetween, which are controlled via the movement axes (I-VII) of the manipulator (FIG. 10 ) are movable, and wherein torques (M1-M7) on one or more axes of movement (I-VII) can be detected by force or torque sensors, characterized in that the manipulator ( 10 ) is adapted from the determined moments (M1-M7) from the outside to the manipulator hand ( 12 ) applied load torque (ML), wherein the external load torque (ML) a while attaching a tool to the manipulator hand ( 12 ) applied bolting torque is.

A multi-axis manipulator according to claim 1, wherein the manipulator ( 12 ) is further configured to perform a safety action when the determined load torque (ML) reaches or exceeds a predetermined limit.

A multi-axis manipulator according to any one of the preceding claims, wherein a security action comprises issuing a warning.

Multi-axis manipulator according to one of the preceding claims, wherein a safety action is an evasive movement of the manipulator ( 10 ), in particular a rotation of the manipulator hand ( 12 ) in the direction of the load torque (ML).

Multi-axis manipulator according to one of the preceding claims, wherein the manipulator ( 10 ) is further adapted to adopt a pose (P) for the execution of a tool change or an attachment action by which the determination of the load torque (ML) is simplified.

Multi-axis manipulator according to one of the preceding claims, wherein a pose (P) is determined for a tool change as a function of an adjustable or selectable point of application for the load torque (ML) to be determined, in particular as a function of the load moment axis (ML).

Multi-axis manipulator according to one of the preceding claims, wherein a pose (P) for a tool change is formed such that the load moment axis (L), in particular the center axis of a screw point ( 12 ), to exactly two axes of motion (I, VII) of the manipulator ( 10 ) is aligned parallel and spaced, further wherein the load torque axis (L) and these axes of motion (I, VII) are arranged in a common plane (E).

Method for determining an externally applied load moment (ML) on a manipulator hand ( 12 ) of a multi-axis manipulator ( 10 ), the manipulator ( 10 ) is formed in particular according to the preamble of claim 1 or according to one of claims 1 to 8, characterized by the following steps: - detection of moments (M1-M7) at one or more axes of motion (I-VII) of the manipulator ( 10 ) during the application of the load torque (ML) at the manipulator hand ( 12 ); Determining the load torque (ML) from the determined moments (M1-M7), wherein the load torque (ML) a when attaching a tool to the manipulator hand ( 12 ) applied bolting torque is.

A load torque determination method according to any one of the preceding claims, wherein a tool change mode is provided to define an attachment location where the load torque is applied.

Load torque determination method according to one of the preceding claims, wherein the manipulator ( 10 ) for the execution of a tool change or a fastening action in a pose (P) is moved, in which the determination of the load torque (LM) is simplified, in particular at the defined attachment point.

Safety method for monitoring an externally applied load torque (ML) on a manipulator hand ( 12 ) of a multi-axis manipulator ( 10 ), comprising the following steps: - carrying out a load torque determination method according to one of the preceding claims; - comparing the instantaneous load torque (ML) with a maximum tightening torque; - When the load torque (ML) reaches or exceeds the maximum tightening torque, perform a safety action.