DE102016113448A1

DE102016113448A1 - Parallelkinematik-Roboter, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung eines Parallelkinematik-Roboters

Info

Publication number: DE102016113448A1
Application number: DE102016113448.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Hartl; Manuel Kollmuss; Josef Unterseher; Christian Westermeier
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2017-02-23

Abstract

Es ist ein Parallelkinematik-Roboter (10) offenbart, der eine Aufhängung (18) umfasst, an der wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme (20) gelenkig gelagert sind, wobei jeder der wenigstens zwei Stellarme (20) durch wenigstens zwei relativ zueinander schwenkbare Armabschnitte (22, 24) gebildet ist, und wobei die wenigstens zwei zueinander schwenkbaren Armabschnitte (22, 24) jedes der wenigstens zwei Stellarme (20) durch einen schwenkbar an der Aufhängung (18) oder Basis angelenkten Oberarm (22) und einen gelenkig am Oberarm (22) angelenkten Unterarm (24) gebildet sind. Ein Manipulator (16) und/oder Werkzeugkopf (26) ist mit den Unterarmen (24) mechanisch gekoppelt, so dass durch eine Bewegung eines oder mehrerer der wenigstens zwei Stellarme (20) eine Position des Manipulators (16) vorgegeben werden kann. Der Manipulator (16) verfügt über einen Antrieb, der über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen (42), die über wenigstens einen der Stellarme (20) geführt sind, mit einer Basis und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt ist. Die Leitungen sind in dem Oberarm (22) und/oder im Unterarm (24) integriert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Parallelkinematik-Roboter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Parallelkinematik-Roboters mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 13. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines derartigen Parallelkinematik-Roboters als Industrieroboter.
Bekannte Verpackungs- oder Palettieranlagen zum Stapeln und Palettieren von Objekten wie Paketen oder Gebinden mit mehreren Artikeln wie bspw. Getränkebehältern weisen üblicherweise Horizontalfördereinrichtungen mit Förderbändern auf, auf denen die Stückgüter oder Gebinde in ununterbrochener oder unregelmäßiger Folge zu einer Handhabungseinrichtung befördert werden. Dort erfolgt eine Verschiebung, Ausrichtung und/oder Drehen einzelner Stückgüter oder Gebinde, um diese in eine geeignete räumliche Anordnung zu bringen, die eine Basis bildet, um die Stückgüter oder Gebinde in nachgeordneten Gruppierstationen zu stapelfähigen Stückgut- oder Gebindelagen zusammenzuschieben.
In aktuellen Abfüll- und Verpackungslinien werden unterschiedliche Verfahren zum Drehen von Gebinden eingesetzt, die bspw. geeignete bewegliche Anschläge oder zwei Bänder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufweisen können. Bekannte Handhabungseinrichtungen können auch mit Greifern versehen sein, die bspw. an einem Portalsystem aufgehängt und in einem definierten Bewegungsbereich verschoben, rotiert und zudem in vertikaler Richtung bewegt werden können, um einzelne Stückgüter oder Gebinde zum Drehen und/oder Verschieben anheben zu können. Die Greifer können bspw. auch an Mehrachsroboterarmen angeordnet sein, die seitlich an den Horizontalfördereinrichtungen platziert sind. Derartige Greifvorrichtungen sind etwa aus der EP 2 388 216 A1 bekannt.
Darüber hinaus gibt es weitere Handhabungseinrichtungen zum Greifen, Verschieben, Drehen und/oder Versetzen von Artikeln oder Gebinden, die auf sog. Deltarobotern oder Parallelkinematik-Robotern basieren, welche in einer dreiarmigen Ausführung auch als Tripode bezeichnet werden. Jeder der Arme eines solchen Tripods oder Deltaroboters besteht aus einem an der Basis um eine gestellfeste Schwenkachse angetriebenen verschwenkbar angeordneten Oberarm und einem mit dem Oberarm und dem Koppelelement gelenkig verbundenen Unterarm. Der Unterarm ist hierbei passiv, frei von einem Antrieb zu dessen Verschwenkung gegenüber dem Oberarm oder dem Koppelelement ausgeführt. Einer oder mehrere der Unterarme können bspw. über Kugelgelenke mit den jeweils zugehörigen Oberarmen und dem Koppelelement verbunden sein. Ein solcher einzelner Unterarm ist frei schwenkbar und besitzt keine Eigenstabilität. Alle Oberarme eines Deltaroboters sind jeweils um vorzugsweise innerhalb einer gemeinsamen Ebene liegende Schwenkachsen verschwenkbar angetrieben gelagert. Drei mit dem Koppelelement und jeweils mit ihrem zugehörigen Oberarm verbundene Unterarme bilden in jeder Position ein Kraftdreieck, das sich nur bewegen lässt, wenn die drei Oberarme synchron die für sie berechneten Schwenkbewegungen um deren gestellfeste Schwenkachsen ausführen. Zwei oder mehr Schwenkachsen können parallel verlaufen; in der Regel weisen alle Schwenkachsen zwei Schnittpunkte mit anderen Schwenkachsen auf.
Wenigstens einer der Unterarme kann aus zwei auch als Elle und Speiche bezeichneten, ein Parallelogrammgestänge bildenden Gestängeelementen bestehen, um das Koppelelement in zumindest einer vorgegebenen Ausrichtung relativ zur Basis zu führen. Das Koppelelement dient dabei als Arbeitsplattform, die in der Praxis auch als Tool-Center-Point (TCP) bezeichnet wird. An diesem TCP kann ein Manipulator angeordnet sein, bspw. in Gestalt von gegeneinander zustellbaren Greifarmen o. dgl. Handhabungseinrichtung, so dass damit Artikel, Gebinde o. dgl. Stückgüter ergriffen und gedreht, verschoben oder von einer Auflagefläche angehoben werden können.
Der an der Arbeitsplattform bzw. dem TCP angeordnete Manipulator kann wahlweise drehbar gelagert sein, um den Manipulator ausrichten oder eine gewünschte Drehung der Artikel oder Stückgüter ausführen zu können. Anstelle einer antreibbar drehbaren Lagerung des Manipulators am Koppelelement ist grundsätzlich auch denkbar, den Manipulator unverdrehbar am Koppelelement anzuordnen und das gesamte Koppelelement unter entsprechender Ausgleichbewegung der Arme vermittels der Teleskopwelle gegenüber der Basis zu verdrehen. Damit einhergehend ist jedoch der Nachteil eines nur eingeschränkten Drehwinkels des Koppelelements. Die Einschränkung ergibt sich durch das Erreichen von Endanschlägen der gelenkigen Verbindungen der Oberarme und/oder des Koppelelements mit den Unterarmen und/oder dem gegenseitigen Kontakt benachbarter Unterarme.
Aus der DE 10 2010 006 155 A1 , aus der DE 10 2013 208 082 A1 sowie aus der US 8 210 068 B1 sind derartige Handhabungseinrichtung mit Tripoden bekannt.
Häufig sind die Manipulatoren mit Greifern oder anderen beweglichen Teilen ausgestattet, die einen mechanischen, elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieb aufweisen können. Bei mechanischen Antrieben sind mechanische Übertragungsglieder wie z.B. Kardanwellen notwendig, wie sie bspw. aus der EP 1 135 238 B1 hervorgehen, während bei anderen Antriebsvarianten leitungsgebundene Energieübertragungen erforderlich sind. Da diese Leitungen bei den in schneller Folge ablaufenden und mit teilweise sehr schnellen Stellbewegungen verbundenen Manipulatorbewegungen einer hohen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, unterliegen sie in aller Regel auch einem relativ hohen Verschleiß, so dass sie häufiger ausgewechselt werden müssen, sollen ungeplante Anlagenstillstände aufgrund versagender Leitungen vermieden werden.
Neben den genannten Anwendungsfällen finden sich zunehmend weitere Einsatzgebiete für derartige Parallelkinematik-Roboter, die bspw. auch als Industrieroboter in Fertigungsumgebungen eingesetzt werden, wo bisher insbesondere Roboter mit mehrachsig beweglichen Armen zum Einsatz kamen. Für definierte Anwendungsfälle, bei denen der mit den bekannten Parallelkinematik-Robotern erzielbare Arbeitsraum ausreicht, können diese meist kostengünstiger eingesetzt werden als Mehrachsroboter eingesetzt werden und erzielen darüber hinaus oftmals sogar höhere Leistungen, da schnellere Stellbewegungen realisierbar sind.
Ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, die genannten Nachteile des Leitungsverschleißes und der mit relativ hohem Aufwand zum beweglichen Manipulator einer Handhabungsvorrichtung zu übertragenden Versorgungsenergie zu vermeiden und eine verschleißarme bzw. weitgehend verschleißfreie Variante der Energieübertragung anzubieten, die zudem eine möglichst geringe Gefahr der Beschädigung aufweist.
Dieses Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen. So schlägt die vorliegende Erfindung zur Erreichung des genannten Ziels einen Parallelkinematik-Roboter vor, der – je nach Anzahl der miteinander gekoppelten Stellarme – auch als Tripod, Duopod, Quadpod bzw. Quattropod bezeichnet werden kann. Der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter umfasst eine Aufhängung oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme gelenkig befestigt bzw. gelagert sind. Jeder der Stellarme ist jeweils durch einen mittels Antrieb bewegbaren Oberarm und einen gelenkig daran gelagerten Unterarm gebildet. Bei der Aufhängung kann es sich insbesondere um eine obere Aufhängung bzw. um ein Rahmengestell handeln, von dem aus die Stellarme jeweils nach unten in Richtung eines unterhalb der Aufhängung befindlichen Arbeitsraumes reichen, während es sich bei der Basis insbesondere um eine untere Basis handeln kann, von der aus die Stellarme jeweils nach oben in Richtung eines oberhalb der Basis befindlichen Arbeitsraumes reichen. Ebenso möglich sind jedoch auch seitliche Aufhängungen, so dass die verwendeten Begriffe der Basis oder Aufhängung für die zwei oder mehr Stellarme des Parallelkinematik-Roboters nicht einschränkend zu verstehen sind, insbesondere nicht einschränkend in räumlicher Hinsicht.
Weiterhin umfasst der Parallelkinematik-Roboter einen an den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes bewegbaren Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf, wobei die Unterarme jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem Manipulator und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf und den Oberarmen herstellen, so dass durch die Antriebsbewegungen der schwenkbaren Oberarme und die damit gekoppelten Bewegungen der an den Oberarmen gelenkig gelagerten Unterarmen letztlich die Bewegungen des Manipulators bzw. Werkzeughalters- oder -kopfes im Bewegungsraum vorgebbar sind.
Insbesondere die Unterarme können jeweils durch zwei parallel verlaufende Armabschnitte gebildet sein, die am Oberarm angelenkt sind, während der Oberarm meist durch einen einzelnen Armabschnitt gebildet ist. Weiterhin kann der Parallelkinematik-Roboter einen Manipulator umfassen, der bspw. ein oder mehrere Mittel zum Greifen und/oder Handhaben der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter, Gebinde- und/oder Stückgutlagen umfassen kann und der mit den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Bewegung eines oder mehrerer der wenigstens zwei Stellarme eine Position des Manipulators innerhalb eines definierbaren Arbeits- oder Bewegungsraumes vorgegeben werden kann. Wahlweise kann der Parallelkinematik-Roboter auch einen Werkzeughalter oder Werkzeugkopf aufweisen, worunter im vorliegenden Zusammenhang zwar auch ein Manipulator verstanden werden kann. Normalerweise meint der hier verwendete Begriff des Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes eine Basis für ein nahezu beliebiges Fertigungswerkzeug, bspw. einen Schweißkopf, einen Greifer oder ein sonstiges Werkzeug, das in einer industriellen Fertigungsumgebung Verwendung finden und zum Einsatz kommen kann.
Außerdem verfügt der Manipulator und/oder der Werkzeughalter oder Werkzeugkopf über wenigstens einen Aktor und/oder Antrieb, der bspw. der Zusammenwirkung mit zu greifenden und/oder zu handhabenden Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen dienen kann. Der Aktor oder Antrieb kann auch im Zusammenhang mit dem optionalen Fertigungswerkzeug Verwendung finden oder benötigt werden. Zudem kann der Manipulator und/oder der Werkzeughalter oder Werkzeugkopf über wenigstens einen Sensor verfügen. Ein solcher Sensor kann wahlweise oder zusätzlich auch einem der Stellarme zugeordnet sein. Ebenso denkbar ist es, dass mehrere Stellarme des Parallelkinematik-Roboters mit jeweils einem Sensor oder ggf. auch mit mehreren Sensoren ausgestattet sind. Weiterhin ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb und/oder der wenigstens eine Sensor über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen, die über wenigstens einen der Stellarme geführt sind, mit der Basis und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt ist bzw. sind. Wahlweise kann zudem vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb und/oder der wenigstens eine Sensor über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen mit der Basis, der Aufhängung und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt ist/sind, wobei diese Leitungen auch über eine andere, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente geführt sein können.
Der Begriff des Aktors ist in diesem Zusammenhang sehr allgemein zu verstehen. So kann dies ein nahezu beliebiges Stellelement oder ein nahezu beliebiger Antrieb sein, das/der im Zusammenhang mit dem Einsatz des Manipulators und/oder der Handhabung der Artikel, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen Verwendung finden kann. Der Aktor kann ebenso ein nahezu beliebiges Stellelement oder ein nahezu beliebiger Antrieb sein, das/der im Zusammenhang mit dem Einsatz des Werkzeugkopfes oder Werkzeughalters als Teil eines Fertigungs- und/oder Montagewerkzeugs stehen und Verwendung finden kann. Auch der hier verwendete Begriff des Sensors ist allgemein zu verstehen. Der wenigstens eine Sensor kann in einem der Stellarme oder im Bereich des Manipulators angeordnet sein. Auch eine Kamera kann als Sensor in diesem Sinne dienen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einer der Oberarme und/oder der Unterarme wenigstens eines der Stellarme und/oder die andere, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente mindestens eine in seiner/ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung verlaufende, integrierte Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung aufweist. Diese mindestens eine Leitung ist in einer Wandung des jeweiligen Oberarms und/oder Unterarms bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente geführt und/oder eingebettet.
Diese wenigstens eine Leitung weist vorzugsweise nach außen geführte Schnittstellen und/oder Anschlüsse auf, die insbesondere jeweils in Nähe von Gelenken des jeweiligen Oberarms und/oder Unterarms angeordnet sind, so dass sie als universell verwendbare Versorgungs-, Steuerungs-, Signal- und/oder Druck- bzw. Fluidleitungen verwendbar sind, die bspw. eine Signalverbindung von einer Steuereinheit zu den Aktoren des Manipulators und/oder Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes herstellen können. Auch kann eine elektrische Versorgungsleitung oder mehrere elektrische Versorgungsleitungen, die innerhalb wenigstens eines der Unter- und/oder Oberarme eines der Stellarme oder ggf. auch in den Unter- und/oder Oberarmen mehrerer Stellarme geführt sein kann bzw. können, einen elektrischen Antriebsmotor am Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf mit elektrischer Energie versorgen bzw. mit einer elektrischen Energieversorgung koppeln, die getrennt vom Parallelkinematik-Roboter angeordnet ist. Ebenso denkbar sind innerhalb wenigstens eines der Unter- und/oder Oberarme des Stellarmes bzw. eines der Stellarme oder ggf. auch in den Unter- und/oder Oberarmen mehrerer Stellarme geführte Druck- bzw. Fluidleitungen, die bspw. zur Druckfluidversorgung eines hydrostatischen Antriebes im Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf oder zur Versorgung eines Hydromotors oder eines pneumatischen Stellantriebes o. dgl. dienen können. Auf diese Weise können verschiedenste Aktoren, Stellantriebe, Sensoren o. dgl. im Bereich des Manipulators und/oder Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes elektrisch oder fluidisch leitend mit einer Versorgungseinheit gekoppelt werden, ohne dass aufwendige kardanische Drehantriebe in den Werkzeugkopf – auch Tool Center Point bzw. TCP genannt – des Manipulators des Parallelkinematik-Roboters geführt werden müssen, die das Gewicht des Roboters erhöhen und die aufgrund ihrer aufwendigen Mechanik den Bauaufwand und die Systemkosten deutlich erhöhen.
Gleichwohl müssen die erwähnten Leitungen nicht zwingend in den Stellarmen geführt sein, sondern können bspw. auch in der Wandung der erwähnten anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente geführt und/oder eingebettet sein. Mit dieser Komponente ist in aller Regel eine Kardan- oder Antriebswelle gemeint, die als leitungsführende Welle dienen kann, wobei die Signalübertragung von der Basis oder Aufhängung zur rotierenden Antriebs- oder Kardanwelle sowie von dieser zum Manipulator, zum Werkzeughalter oder Werkzeugkopf vorzugsweise mittels Drehübertragungselementen erfolgen kann.
Normalerweise sind die Leitungen bzw. ist die mindestens eine Leitung in der Wandung des jeweiligen Oberarms und/oder Unterarms bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente – d.h. bspw. der Kardan- oder Antriebswelle – einlaminiert.
Wahlweise kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung die wenigstens eine flexible Verbindungsleitung und/oder Folienleitung über ein Gelenk zwischen Oberarm und Unterarm eines Gelenkarmes hinweg geführt sein. Denkbar sind auch Varianten, bei denen die wenigstens eine Leitung und/oder deren Schnittstelle und/oder Anschluss an wenigstens einem Gelenk in einem Drehübertragungssystem mündet. Wenn in diesem Zusammenhang ganz allgemein von wenigstens einer Leitung die Rede ist, so kann dies tatsächlich eine einzige Leitung oder auch ein Leitungsbündel gleicher oder verschiedener Leitungen sein, die wahlweise durch elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen sowie auch durch fluidische Leitungen bzw. pneumatische und/oder hydraulische Druck- und/oder Versorgungsleitungen gebildet sein können. So kann die wenigstens eine Leitung bspw. auch eine elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitung umfassen, die über eine Abschirmung gegen Einflüsse elektromagnetischer Wellen verfügt. Diese Leitungen können je nach Bedarf die unterschiedlichsten Querschnitte aufweisen und durch unterschiedliche Materialien gebildet sein. So sind bspw. kostengünstigere Kupferleitungen ebenso möglich wie besonders widerstandsarme Silber- oder Goldleitungen, die vorwiegend als Signalleitungen Verwendung finden können.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht Oberarme und/oder der Unterarme der Stellarme vor, die jeweils durch CFK-Strukturbauteile (CFK: kohlefaserverstärkter Kunststoff) gebildet sind. Denkbar sind auch GFK-Strukturbauteile (GFK: glasfaserverstärkter Kunststoff) als Ober- und/oder Unterarme, die wahlweise einen metallischen Kern aufweisen können, der bspw. durch ein Aluminiumrohr gebildet sein kann. Solche CFK- oder GFK-Strukturbauteile zeichnen sich durch hohe Festigkeit bei geringem Gewicht und eine gute belastungsgerechte Formbarkeit aus. Grundsätzlich sind auch andere faserverstärkte Kunststoffteile einsetzbar; in diesem Zusammenhang ist die Verwendung von Naturfasern zu erwähnen, die seit einigen Jahren zu neuen Bauteilen führt. Auch Mischungen unterschiedlicher Faservarianten sind ggf. sinnvoll und im vorliegenden Zusammenhang einsetzbar. Zur Erhöhung der Festigkeit eignen sich bspw. auch Aramidfasern, die bei geringem Gewicht eine besonders hohe Längsfestigkeit aufweisen, so dass einem entsprechend damit ausgestatteten faserverstärktem Strukturbauteil aus Kunststoff eine sehr hohe Steifigkeit verliehen werden kann. Bei einem solchen Bauteil kann zudem vorgesehen sein, dass stirnseitige Anschlusselemente bzw. Flanschelemente zu den Gelenken mit den Rohren bzw. Strukturbauteilen endseitig verklebt oder einlaminiert sind. Die Gelenkteile zwischen den Unter- und Oberarmen bzw. zwischen den Aufhängungen an der Basis bzw. dem Manipulator können bspw. aus Metall bestehen, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung.
Gleiches gilt im Wesentlichen für die optional vorhandene Antriebs- und/oder Koppelkomponente, die die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindet und/oder mechanisch koppelt, die insbesondere durch eine Antriebs- und/oder Kardanwelle gebildet sein kann, die zumindest teilweise als CFK-Bauteil oder ein anderes faserverstärktes Kunststoffbauteil gefertigt sein kann. Auch bei diesem optionalen Bauteil gelten die genannten Möglichkeiten der Materialverwendung bzw. der Fertigungsvarianten.
In ein solches CFK-Bauteil, Strukturbauteil bzw. in ein solches CFK-Strukturbauteil kann/können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die wenigstens eine Leitung bzw. mehrere voneinander getrennte Leitungen einlaminiert oder eingebettet sein, so dass es bis auf die herausgeführten Anschlüsse von dem Strukturbauteil vollständig umschlossen ist. Sofern die Gelenkabschnitte an den stirnseitigen Enden der Ober- und/oder Unterarme mit Drehübertragungssystemen ausgestattet sind, können die herausgeführten Anschlüsse auch entfallen bzw. teilweise entfallen, da in diesem Fall die Leitungen komplett innerhalb der Stellarme verlaufen können.
Während bei herkömmlichen Robotern mit einer Parallelkinematik alle ggf. erforderlichen Versorgungsleitungen – z.B. für eine pneumatische Aktuatorik, für Versorgungsspannungen und/oder für einen Signalaustausch etc. – meist entlang der Betätigungselemente und Stellarme, d.h. der Oberarme und Unterarme verlegt werden müssen, erlaubt die vorliegende Erfindung eine weitgehend verschleißarme und gegen Beschädigungen geschützte Verlegung innerhalb der Ober- und/oder Unterarme der beweglichen Stellarme. Auch die alternative Medienversorgung über eine im Zentrum angeordnete teleskopierbare Welle weist erhebliche Nachteile auf, die mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden können. So müssen die Versorgungsleitungen bei einer Verlegung entlang der Ober- und/oder Unterarme z.B. mittels Klemmen oder ähnlichen Befestigungshilfsmitteln fixiert werden. Bei schnellen Bewegungen wirken hohe Beschleunigungskräfte auf die Versorgungsleitungen, weshalb unter allen Umständen eine sorgfältige Verlegung und Sicherung notwendig ist. Bei einer Medienversorgung durch eine teleskopierbare Welle muss ein Längenausgleich für die Leitungen berücksichtigt werden, damit diese weder zu stark gespannt noch unzulässig gestaucht oder geknickt werden. Dennoch unterliegen die Leitungen einem nicht unerheblichen Verschleiß, neigen zu Schwingungen und insbesondere bei schnellen Bewegungen des Manipulators zum sog. Leitungspeitschen, was wiederum den Verschleiß erhöht und unter Umständen sogar die Positioniergenauigkeit des Manipulators beeinträchtigen kann.
Der Hauptkörper der Ober- bzw. Unterarme bekannter Deltakinematik-Roboter kann insbesondere aus Carbonmaterial (CFK) gefertigt sein, welches mit den mechanischen Anschlusselementen verklebt ist. Gemäß der Erfindung können die Anschlusselemente zumindest teilweise in das Carbon einlaminiert sein. Im Zuge des Aufbaus des Laminats können bereits die Versorgungsleitungen (Spannung, Pneumatik, Signalleitungen etc.) im Laminat positioniert werden. Am Übergang zu den mechanischen Anschlusselementen können die Versorgungsleitungen zwischen Oberarm und Unterarm bzw. Unterarm und TCP (Tool Center Point; Manipulator) mit Zwischenleitungen verbunden werden, bspw. mit Folienleitungen o. dgl. zur Signal- und/oder Energieübertragung bzw. mit geeigneten Fluidleitungen, die über die notwendige Elastizität verfügen. Möglichkeiten zum Verbinden sind Steckverbinder, Klemmen und ähnliche bekannte technische Methoden. Alternativ können die Baugruppen über Schleifringe miteinander gekoppelt werden, mittels derer die elektrischen Signale und/oder die elektrische Versorgungsenergie übertragen werden kann. Zusätzlich können in das Laminat spezielle Elemente wie RFID-Elementen, Crash-Sensoren, Beschleunigungssensoren, Dehnmessstreifen oder ähnliche Sensoren eingebracht werden.
Nachdem die Bauteile mit den einlaminierten bzw. eingebetteten Leitungen hergestellt und montiert sind, verringert sich der Installationsaufwand bei der Montage ganz erheblich, ebenso wie ein eventueller Instandhaltungsaufwand. Die Versorgungsleitungen verfügen auf diese Weise über einen hervorragenden Schutz vor allen denkbaren Umwelteinflüssen. Wahlweise kann/können der Oberarm und/oder der Unterarm wenigstens ein integriertes RFID-Element aufweisen, dessen Anschlussleitungen über Schnittstellen und/oder Anschlussleitungen aus dem Teil herausgeführt sind. Im optional integrierten RFID-Element können verschiedene Daten hinterlegt werden wie z.B. eine Chargennummer, Materialnummern, Seriennummern etc. Zusätzlich kann das RFID-Element als Identifikationsmittel verwendet werden, mit dem der Hersteller eindeutig identifizierbar ist. Die optionalen Beschleunigungs- bzw. Crash-Sensoren können durch eine Einmalfunktion unzulässige Belastungen registrieren und im Schadenfall eine Fehlbedienung nachweisen.
So kann eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorsehen, dass der Oberarm und/oder der Unterarm wenigstens einen integrierten elektrischen Sensor aufweist. Dies können ggf. auch mehrere Sensoren sein, insbesondere solche integrierte Sensoren wie Dehnmessstreifen (DMS), Beschleunigungssensoren etc. Die Anschlussleitungen dieser Sensoren lassen sich ebenfalls über Schnittstellen und/oder Anschlussleitungen aus dem Strukturbauteil, das den Ober- und/oder Unterarm bildet, herausführen. Mit solchen Sensoren lassen sich nicht nur die genannten Fehlbedienungen nachweisen, sondern sie liefern wahlweise Bewegungsdaten, die zur Kollisionserkennung und/oder zur Kollisionsvermeidung verwendet bzw. ausgewertet werden können.
Zur Erreichung des oben genannten Ziels der Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Parallelkinematik-Roboters vorgeschlagen, der zumindest die folgenden Komponenten umfasst. Dies sind eine Aufhängung oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme gelenkig befestigt bzw. gelagert sind, die jeweils durch einen mittels Antrieb bewegbaren Oberarm und einen gelenkig daran gelagerten Unterarm gebildet sind. Weiterhin umfasst der Parallelkinematik-Roboter einen an den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes bewegbaren Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf, wobei die Unterarme jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem Manipulator und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf und den Oberarmen herstellen. Darüber hinaus umfasst der Roboter wenigstens einen dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf zugeordneten Aktor und/oder Antrieb und/oder wenigstens einen dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf und/oder wenigstens einen, einem der Stellarme zugeordneten Sensor. Der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb und/oder der wenigstens eine Sensor ist bzw. sind über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen, die über wenigstens einen der Stellarme und/oder eine andere, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente geführt sind, mit der Basis, der Aufhängung und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest einer der Oberarme und/oder Unterarme wenigstens eines der Stellarme und/oder die andere, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente mit mindestens einer in seiner/ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung verlaufenden, in das jeweilige Bauteil integrierten Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung ausgestattet. Diese mindestens eine Leitung wird in einer Wandung des jeweiligen Oberarms und/oder Unterarms bzw. in einer Wandung der anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente appliziert und/oder eingebettet.
Bei dem Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass die mindestens eine Leitung in die Wandung des jeweiligen Oberarms und/oder Unterarms bzw. in die Wandung der anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente einlaminiert wird.
Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines Parallelkinematik-Roboters gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungs- und/oder Ausstattungsvarianten verwendet bzw. eingesetzt werden.
Ein solchermaßen beschriebener Parallelkinematik-Roboter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungs- und/oder Ausstattungsvarianten kann insbesondere als Industrieroboter zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen Gegenständen verwendet und eingesetzt werden, so insbesondere im Zusammenhang mit dem Transport und Beförderung, der Verarbeitung, der Verpackung und/oder der Palettierung der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter und/oder Gebinde- und/oder Stückgutlagen.
Ein solchermaßen beschriebener Parallelkinematik-Roboter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungs- und/oder Ausstattungsvarianten kann wahlweise auch als Industrieroboter zur Führung wenigstens eines Werkzeuges verwendet und eingesetzt werden, so insbesondere im Zusammenhang mit der Fertigung, Mittel- und/oder Beschichtungsapplikation, Montage, Manipulation und/oder Handhabung in einer Fertigungs- und/oder Industrieumgebung.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters.
2 zeigt eine schematische Perspektivansicht der beweglichen Teile des Parallelkinematik-Roboters gemäß 1.
3 zeigt in drei schematischen Ansichten (3A, 3B und 3C) eine Ausführungsvariante eines Oberarms eines Stellarms des Roboters gemäß 1 und 2.
4 zeigt eine weitere schematische Perspektivansicht des Parallelkinematik-Roboters gemäß 1 bzw. gemäß 2.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den 1 bis 4 jeweils identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
Einleitend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in den 1 bis 4 erläuterten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Deltakinematik-Roboters bzw. Parallelkinematik-Roboters 10 mit drei gleichartigen Schwenkarmen bzw. auf einen sog. Deltaroboter oder auch sog. Tripod beziehen, der Teil einer Handhabungseinrichtung bzw. eines Manipulators zur Handhabung, zum Drehen, Verschieben oder Aufnehmen von Artikeln, Stückgütern oder Gebinden sein kann. Hinsichtlich einer möglichen Ausgestaltung des Parallelkinematik-Roboters, Deltakinematik-Roboters, Deltaroboters bzw. Tripods, seines Aufbaus, seiner Funktionsweise und seines Bewegungsraumes sei insbesondere auf den Offenbarungsgehalt der DE 10 2013 106 004 A1 verwiesen, auf deren gesamten Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Auf eine detaillierte Beschreibung der Bewegungsmodi, der Antriebe für die drei Schwenkarme etc. soll deshalb an dieser Stelle verzichtet werden. Grundsätzlich könnte der Parallelkinematik-Roboter 10 entsprechend den 1 bis 4 auch vier gleichartige Schwenkarme aufweisen, was auch als sog. Quadpod oder Quattropod bezeichnet werden kann. Auch Varianten mit nur zwei Stellarmen – sog. Duopods – sind grundsätzlich denkbar und für manche Anwendungsfälle gebräuchlich. Auch können die Schwenk- oder Stellarme von einer unteren Basis nach oben ragen, so dass sich ein an den Unterarmen aufgehängter Werkzeugkopf zwischen den nach unten abgeknickten Unterarmen befindet, die jeweils an den nach oben ragenden Oberarmen schwenkbar aufgehängt sind.
Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine denkbare Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 10, wie er bspw. zur Handhabung und/oder zum Manipulieren von hier nicht dargestellten Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern oder dergleichen, je nach Ausführungsvariante wahlweise auch zum Handhaben und/oder zum Manipulieren von Stückgut- und/oder Gebindegruppierungen bzw. auch von Stückgut- und/oder Gebindelagen eingesetzt werden kann. Der Parallelkinematik-Roboter 10 kann jedoch wahlweise auch als Industrieroboter zur Führung wenigstens eines Werkzeuges verwendet und eingesetzt werden, so insbesondere im Zusammenhang mit der Fertigung, Mittel- und/oder Beschichtungsapplikation, Montage, Manipulation und/oder Handhabung in einer Fertigungs- und/oder Industrieumgebung. Im weiteren Zusammenhang der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird jedoch auf einen Industrieroboter Bezug genommen, der zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen Gegenständen verwendet und eingesetzt werden kann, so insbesondere im Zusammenhang mit dem Transport und Beförderung, der Verarbeitung, der Verpackung und/oder der Palettierung der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter und/oder Gebinde- und/oder Stückgutlagen.
Die Detailansicht der 2 lässt einige der Komponenten des Parallelkinematik-Roboters 10 deutlicher erkennen.
Die in den 1 und 2 nicht dargestellten Artikel, Gruppierungen, Gebinde oder Stückgüter oder Lagen mit Stückgütern oder Gebinden stehen insbesondere auf einer Auflageebene und/oder einem Förderabschnitt 12 einer Vorrichtung 14 zur Handhabung, Förderung, Gruppierung und/oder Verpackung von Artikeln, Stückgütern, Gruppierungen und/oder Gebinden bzw. werden auf dieser Auflageebene oder dem Förderabschnitt 12 insbesondere in horizontaler Richtung bewegt. Die als Greif- und/oder Manipulationseinheit 16 ausgebildete bzw. eine solche Manipulationseinheit 16 aufweisende Handhabungsvorrichtung des Parallelkinematik-Roboters 10 ist oberhalb der Auflageebene und/oder dem Förderabschnitt 12 angeordnet und umfasst eine obere Aufhängung 18, an der drei separat angetriebene Stellarme 20 gelenkig befestigt bzw. gelagert sind. Jeder dieser drei Stellarme 20 ist durch zwei relativ zueinander schwenkbare Armabschnitte 22 und 24 gebildet, nämlich jeweils durch einen Oberarm 22, der um eine horizontale Schwenkachse beweglich ist und an der oberen Aufhängung 18 gelenkig und motorisch angetrieben aufgehängt ist, sowie durch einen Unterarm 24, der gelenkig mit dem Oberarm 22 verbunden ist und nach unten führt, so dass sich alle drei Unterarme 24 in einem unteren Koppelabschnitt 26 treffen, dem sog. Werkzeugkopf, Werkzeugträger oder auch Tool-Center-Point bzw. TCP. An diesem unteren Werkzeugkopf, Werkzeugträger bzw. Koppelabschnitt 26 bzw. dem TCP befindet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel eine separat aktivierbare Greifeinrichtung 28 mit einem Paar gegeneinander zustellbarer Greifbacken, das der Erfassung, dem Greifen und/oder Manipulieren der auf dem Förderabschnitt 12 befindlichen Artikel, Gruppierungen, Gebinde oder Stückgüter dient.
Wie dies bereits im Detail in der DE 10 2013 106 004 A1 beschrieben ist, kann jeder der drei Stellarme 20 in gewissen Grenzen, die durch den jeweiligen Schwenkradius definiert sind, unabhängig von den anderen Stellarmen 20 betätigt werden, wodurch sich eine freie Beweglichkeit des Manipulators 16 mitsamt seiner Greifeinrichtung 28 innerhalb eines definierten Bewegungsraumes 30 ergibt, wobei durch eine Bewegung eines oder mehrerer der insgesamt drei Stellarme 20 eine Position der Greifeinrichtung 28 innerhalb des Bewegungsraumes 30 vorgegeben werden kann. Dieser Bewegungs- oder Arbeitsraum 30 ist – bezogen auf den Tool-Center-Point 26 – in vertikaler Richtung bzw. in z-Richtung ein relativ flacher Zylinder, an dessen unteren Rand sich ein ebenfalls relativ flaches Kugelsegment anschließt, wie dies in 1 angedeutet ist.
Die obere Aufhängung 18 sieht im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 eine Abstützung über insgesamt drei schräge Stützträger 32 vor, die sich wiederum in einem Rahmengestell 34 der Vorrichtung 14 zur Handhabung, Förderung, Gruppierung und/oder Verpackung von Artikeln, Stückgütern, Gruppierungen und/oder Gebinden abstützen. Das Rahmengestell 34 kann bspw. ein starrer Stahlträgerrahmen o. dgl. mit verschraubten Vertikal- und Horizontalträgern sein, der im unteren Bereich den Horizontalförderabschnitt 12 aufnimmt. Der gezeigte Aufbau ist jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen, sondern liefert nur eine Ausführungsvariante einer Vielzahl möglicher bzw. sinnvoll realisierbarer Ausführungsvarianten zur Ausgestaltung der Vorrichtung, ihrer Einzelteile und der Rahmen- und Aufhängungsteile.
In der 1 nicht erkennbar ist ein dem Werkzeugträger 26 bzw. dem Tool-Center-Point 26 wahlweise zugeordneter elektromotorischer Antrieb, der als Antrieb für die gegeneinander zustellbaren Greifbacken der Greifeinrichtung 28 dienen kann. Die elektrische Versorgungsenergie für einen solchen elektromotorischen Antrieb wird über elektrische Verbindungsleitungen zum Manipulator 16 übermittelt, die vom Rahmengestell 34 über wenigstens einen der Stellarme 20 zur Greifeinrichtung 28 des Manipulators 16 führen müssen.
Die schematische Perspektivansicht der 2 verdeutlicht nochmals die beweglichen Teile des Roboters 10 gemäß 1. Da der hier gezeigte Parallelkinematik-Roboter 10 insgesamt drei miteinander gekoppelte gleichartige Stellarme 20 aufweist, kann er auch als Tripod bezeichnet werden. Jeder Oberarm 22 der drei Stellarme 20 ist schwenkbar an der oberen Aufhängung 18 gelagert, wobei er mittels eines separaten Stellantriebs um eine horizontale Schwenkachse 38 beweglich ist. An jedem freien Ende der drei konzentrisch an der oberen Aufhängung 18 nach außen weisenden Oberarme 22 sind jeweils die nicht gesondert angetriebenen Unterarmpaare 24 gelenkig gelagert bzw. befestigt, an deren unteren Enden wiederum der Werkzeugkopf 26 gehalten ist, der mit hier nicht näher ausgeführten separaten Antriebseinrichtungen 40 zum Bewegen von Greifbacken, zum Drehen eines Greifers oder zum Antrieb anderer Handhabungselemente ausgestattet sein kann. Es kann sich hierbei wahlweise um einen elektromotorischen, um einen elektromagnetischen oder um einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb 40 handeln, wobei auch Kombinationen mehrerer solcher Antriebe 40 möglich sind. Der Antrieb 40 ist Teil des Manipulators 16 bzw. des Werkzeugkopfes 26 und dient der Bewegung von Greifwerkzeugen oder anderer Handhabungselemente, die dort angeordnet sind.
Durch die Bewegungen der drei Stellarme 20 werden die Positionen des Manipulators 16 bzw. des Werkzeugkopfes 26 innerhalb des definierbaren Arbeits- oder Bewegungsraumes 30 (vgl. 1) vorgegeben. Hierbei ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb 40 und/oder ein ggf. vorhandener Sensor oder auch mehrere Sensoren (hier nicht gezeigt) über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen, die über wenigstens einen der Stellarme 20 geführt, jedoch in 2 nicht erkennbar sind, mit hier ebenfalls nicht gezeichneten Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt sind.
Wie es die 3A bis 3C erkennen lassen, kann zumindest einer der Oberarme 22 wenigstens eines der Stellarme 20 mindestens eine in seiner jeweiligen Längserstreckungsrichtung verlaufende integrierte Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung 42 aufweisen. Diese wenigstens eine Leitung 42 weist vorzugsweise nach außen geführte Schnittstellen und/oder Anschlüsse 44 auf, die jeweils in Nähe der Gelenke 46 des jeweiligen Oberarms 22 und/oder Unterarms 24 angeordnet sind, so dass sie als universell verwendbare Versorgungs-, Steuerungs-, Signal- und/oder Druck- bzw. Fluidleitungen 42 verwendbar sind, die bspw. eine Signalverbindung von einer Steuereinheit zu den Aktoren oder Antrieben 40 des Manipulators 16 (vgl. 1 und 2) herstellen können.
Wie es die schematischen Perspektivansichten der 3A und 3B anhand eines Oberarms 22 eines der Stellarme 20 (vgl. 2) zeigen, können mehrere parallele Leitungen 42 im zylindrischen oder ovalzylindrischen Rohrmaterial geführt sein, das den Oberarm 22 bildet. Die Querschnittdarstellung der 3C zeigt einen Schnitt durch den Oberarm 22, der hier einen Hohlquerschnitt mit ovaler Kontur und hohlem Kern 48 aufweist. Im Wandmaterial 50 des Oberarms 22 können mehrere der genannten Leitungen 42 eingebettet bzw. einlaminiert sein, so bspw. eine elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitung 52 oder mehrere elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen 52, die innerhalb wenigstens eines der Unter- und/oder Oberarme 24, 22 eines der Stellarme 20 oder ggf. auch in den Unter- und/oder Oberarmen 24, 22 mehrerer Stellarme 20 geführt sein kann bzw. können.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3C sind zwei elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen 52 nebeneinander angeordnet, neben denen eine Fluid- und/oder Druckleitung 54 größeren Querschnitts verläuft. Die Fluidleitung 54 kann bspw. einen hydrostatischen Antrieb 40 oder einen pneumatischen Antrieb 40 am Manipulator 16 bzw. Werkzeugkopf 26 versorgen. Auf diese Weise können verschiedenste Aktoren, Stellantriebe 40, Sensoren o. dgl. im Bereich des Manipulators 16 elektrisch oder fluidisch leitend mit einer Versorgungseinheit gekoppelt werden, ohne dass aufwendige kardanische Drehantriebe in den Werkzeugkopf 26 (Tool Center Point bzw. TCP) des Manipulators 16 des Parallelkinematik-Roboters 10 geführt werden müssen, die das Gewicht des Roboters 10 erhöhen und die aufgrund ihrer aufwendigen Mechanik den Bauaufwand und die Systemkosten deutlich erhöhen.
Der in den 3A bis 3C beispielhaft gezeigte Oberarm 22 kann insbesondere durch ein rohrförmiges CFK-Bauteil bzw. CFK-Strukturbauteil 56 (CFK: kohlefaserverstärkter Kunststoff) gebildet sein. Bei diesem Bauteil 56 sind stirnseitige Anschluss- bzw. Flanschelemente 58 zu den Gelenken 46 mit den Rohren bzw. Strukturbauteilen 56 endseitig verklebt oder einlaminiert. Die Gelenkteile 46 zwischen den Unter- und Oberarmen 24, 22 bzw. zwischen den Aufhängungen an der Basis 18 bzw. dem Manipulator 16 können bspw. aus Metall bestehen, insbesondere aus einer Leichtmetalllegierung. In das Strukturbauteil 56 bzw. in das CFK-Strukturbauteil 56 kann bei dem erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboter 10 die wenigstens eine Leitung 42 bzw. können mehrere voneinander getrennte Leitungen 42, 52 und/oder 54 einlaminiert sein, so dass die Leitungen 42, 52, 54 bis auf die herausgeführten Anschlüsse 44 von dem Strukturbauteil 56 vollständig umschlossen sind.
In der schematischen Perspektivansicht der 3B ist eine weitere Ausführungsvariante gezeigt, bei der im Oberarm 22 ein integrierter elektrischer Sensor 60 eingebaut ist, der über elektrische Signalleitungen 52 gekoppelt ist, die an den Anschlüssen 44 kontaktierbar sind. Wahlweise können auch mehrere Sensoren 60 vorgesehen sein, insbesondere integrierte Sensoren wie Dehnmessstreifen (DMS), Beschleunigungssensoren etc. Wahlweise kann der Oberarm 22 auch ein integriertes RFID-Element aufweisen, dessen Anschlussleitungen über Schnittstellen oder Anschlussleitungen 44 aus dem Strukturbauteil 56 bzw. dem Oberarm 22 herausgeführt sind. Die Sensoren 60 können unterschiedlichen Zwecken dienen; so können bspw. Beschleunigungssensoren zur Kollisionserkennung und/oder zur Überlasterkennung und/oder -vermeidung eingesetzt werden. Optionale DMS-Sensoren können ebenfalls zur Erkennung unzulässig hoher Materialbeanspruchungen eingesetzt werden, die bspw. durch Aufnahme und Handhabung zu großer Lasten, durch zu schnelle Stellbewegungen und/oder durch Kollisionen mit feststehenden oder mobilen Gegenständen entstehen können.
Wie es die schematische Perspektivansicht der 4 verdeutlicht, kann wenigstens einer der Unterarme 24 des Parallelkinematik-Roboters 10 in gleicher Weise aufgebaut sein und über einlaminierte bzw. integrierte oder eingebettete Leitungen 42 verfügen, wie dies am Oberarm 22 gezeigt wurde (3A bis 3C). Da die Unterarme 24 jedoch paarweise am Oberarm 22 angelenkt sind und einen kleineren Querschnitt aufweisen, tragen sie sinnvollerweise weniger einlaminierte oder eingebettete Leitungen 42, so dass die aus der Anschlusseinheit 44 des Oberarms 22 herausgeführten flexiblen Verbindungsleitungen 62, die außen um das Gelenk 46 zwischen Oberarm 22 und Unterarm 24 eines der Stellarme 20 herumgeführt sind, an den beiden Unterarmen 24 in jeweils separate Anschlusseinheiten 44 verzweigen. Am Manipulator 16 können die Unterarme 24 wiederum gleichartige Anschlusseinheiten 44 aufweisen, um die flexiblen Verbindungsleitungen 62 dort herauszuführen und in den Werkzeugkopf 26 einzuleiten (vgl. 4).
Anstelle der in 4 gezeigten flexiblen Verbindungsleitungen 62 können wahlweise auch Folienleiter eingesetzt werden, um die elektrischen Verbindungen zwischen den herausgeführten Anschlusseinheiten 44 der Ober- und Unterarme 22 und 24 zu koppeln. Sofern Drehübertragungssysteme oder Schleifringe eingesetzt werden, die normalerweise in den Gelenken 46 zu integrieren sind, kann auf die Verbindungsleitungen 62 auch verzichtet werden.
Eine hier nicht näher dargestellte Variante des gezeigten Parallelkinematik-Roboters 10 kann neben den Stellarmen 20 ein mechanisches Drehübertragungselement sein, das im vorliegenden Zusammenhang auch als andere, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator 16 und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente bezeichnet wurde. So müssen die erwähnten Leitungen 42 nicht zwingend in den Stellarmen 20 geführt sein, sondern können bspw. auch in der Wandung der erwähnten anderen, die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator 16 und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente geführt und/oder eingebettet sein. Mit dieser Komponente ist in aller Regel eine Kardan- oder Antriebswelle gemeint, die als leitungsführende Welle dienen kann, wobei die Signalübertragung von der Basis oder Aufhängung zur rotierenden Antriebs- oder Kardanwelle sowie von dieser zum Manipulator 16, zum Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 vorzugsweise mittels Drehübertragungselementen erfolgen kann.
Wie die Stellarme 20 bzw. die Oberarme 22 und Unterarme 24 kann auch die optional vorhandene Antriebs- und/oder Koppelkomponente, die die Basis bzw. Aufhängung mit dem Manipulator 16 und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 verbindet und/oder mechanisch koppelt – gebildet insbesondere durch eine Antriebs- und/oder Kardanwelle – zumindest teilweise als CFK-Bauteil oder ein anderes faserverstärktes Kunststoffbauteil gefertigt sein. Auch bei diesem optionalen Bauteil gelten die oben bereits genannten Möglichkeiten der Materialverwendung bzw. der Fertigungsvarianten.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform anhand der 1 bis 4 beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Roboter, Parallelkinematik-Roboter
12: Förderabschnitt, Horizontalförderabschnitt, Horizontalfördereinrichtung
14: Vorrichtung, Handhabungs-, Förder-, Gruppierungs-, Verpackungsvorrichtung
16: Greifeinheit, Manipulationseinheit, Manipulator
18: obere Aufhängung, Basis
20: Stellarm, Gelenkarm
22: Oberarm, oberer Armabschnitt
24: Unterarm, unterer Armabschnitt
26: Koppelabschnitt, Tool-Center-Point (TCP), Werkzeugträger, Werkzeugkopf
28: Greifeinrichtung
30: Bewegungsraum, Arbeitsraum
32: Stützträger
34: Rahmengestell, Rahmen
38: horizontale Schwenkachse (des Oberarms)
40: Antrieb, Antriebseinrichtung, Aktor
42: Leitung, Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung
44: Anschlusseinheit, Schnittstellen, Anschluss
46: Gelenk
48: Kern, hohler Kern
50: Wandmaterial, Wandung (des CFK-Bauteils, des CFK-Strukturbauteils)
52: elektrische Versorgungsleitung, elektrische Signalleitung
54: Druckleitung, Fluidleitung
56: CFK-Bauteil, CFK-Strukturbauteil
58: Anschlusselement, Flanschelement
60: Sensor
62: Verbindungsleitung, flexible Verbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2388216 A1 [0003]
DE 102010006155 A1 [0007]
DE 102013208082 A1 [0007]
US 8210068 B1 [0007]
EP 1135238 B1 [0008]
DE 102013106004 A1 [0039, 0043]

Claims

Parallelkinematik-Roboter (10), umfassend: – eine Aufhängung (18) oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme (20) gelenkig befestigt bzw. gelagert sind, die jeweils durch einen mittels Antrieb bewegbaren Oberarm (22) und einen gelenkig daran gelagerten Unterarm (24) gebildet sind, – einen an den Unterarmen (24) der wenigstens zwei Stellarme (20) gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme (20) innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes (30) bewegbaren Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26), wobei die Unterarme (24) jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem Manipulator (16) und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) und den Oberarmen (22) herstellen, – wenigstens einen dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) zugeordneten Aktor und/oder Antrieb (40) und/oder wenigstens einen dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) und/oder wenigstens einen, einem der Stellarme (20) zugeordneten Sensor (60), – wobei der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb (40) und/oder der wenigstens eine Sensor (60) über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen (42, 52) und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen (42, 54), die über wenigstens einen der Stellarme (20) und/oder eine andere, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente geführt sind, mit der Basis, der Aufhängung (18) und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt ist/sind, und wobei zumindest einer der Oberarme (22) und/oder Unterarme (24) wenigstens eines der Stellarme (20) und/oder die andere, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente mindestens eine in seiner/ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung verlaufende, integrierte Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung (42, 52, 54) aufweist, welche mindestens eine Leitung (42, 52, 54) in einer Wandung (50) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente geführt und/oder eingebettet ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 1, bei dem die mindestens eine Leitung (42, 52, 54) in der Wandung (50) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente einlaminiert ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die wenigstens eine Leitung (42, 52, 54) aus der Wandung (64) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente nach außen geführte Schnittstellen und/oder Anschlüsse (44) aufweist, die jeweils in Nähe von Gelenken (46) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) angeordnet sind.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens eine flexible Verbindungsleitung (62) und/oder Folienleitung über ein Gelenk (46) zwischen Oberarm (22) und Unterarm (24) eines Gelenkarmes (20) hinweg geführt ist.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die wenigstens eine Leitung (42, 52, 54) und/oder deren Schnittstelle und/oder Anschluss (44) an wenigstens einem Gelenk (46) in einem Drehübertragungssystem mündet.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die wenigstens eine Leitung (42) eine elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitung (52) umfasst, die über eine Abschirmung gegen Einflüsse elektromagnetischer Wellen verfügt.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Oberarm (22) und/oder der Unterarm (24) wenigstens eines der Stellarme (20) durch ein CFK-Strukturbauteil (56) oder ein anderes faserverstärktes Kunststoffbauteil gebildet ist/sind.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die andere, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente durch eine Antriebs- und/oder Kardanwelle gebildet ist, die zumindest teilweise als CFK-Bauteil (56) oder ein anderes faserverstärktes Kunststoffbauteil gefertigt ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 7 oder 8, bei dem die wenigstens eine Leitung (42, 52, 54) in dem faserverstärkten Kunststoffbauteil bzw. in dem CFK-Bauteil bzw. dem CFK-Strukturbauteil (56) einlaminiert oder eingebettet und von dem CFK-Bauteil bzw. dem CFK-Strukturbauteil (56) vollständig umschlossen ist.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem stirnseitige Anschluss- bzw. Flanschelemente (58) der CFK-Strukturbauteile (56) zu den Gelenken (46) verklebt und/oder einlaminiert sind.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Oberarm (22) und/oder der Unterarm (24) zumindest eines der Stellarme (20) wenigstens einen integrierten elektrischen Sensor (60) aufweist bzw. aufweisen.
Parallelkinematik-Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Oberarm (22) und/oder der Unterarm (24) zumindest eines der Stellarme (20) wenigstens ein integriertes RFID Element aufweist bzw. aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines Parallelkinematik-Roboters (10), der umfasst: – eine Aufhängung (18) oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme (20) gelenkig befestigt bzw. gelagert sind, die jeweils durch einen mittels Antrieb bewegbaren Oberarm (22) und einen gelenkig daran gelagerten Unterarm (24) gebildet sind, – einen an den Unterarmen (24) der wenigstens zwei Stellarme (20) gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme (20) innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes (30) bewegbaren Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26), wobei die Unterarme (24) jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem Manipulator (16) und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) und den Oberarmen (22) herstellen, – wenigstens einen dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) zugeordneten Aktor und/oder Antrieb (40) und/oder wenigstens einen dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) und/oder wenigstens einen, einem der Stellarme (20) zugeordneten Sensor (60), – wobei der wenigstens eine Aktor und/oder Antrieb (40) und/oder der wenigstens eine Sensor (60) über elektrische Versorgungs- und/oder Signalleitungen (42, 52) und/oder über Druck- und/oder Fluidleitungen (42, 54), die über wenigstens einen der Stellarme (20) und/oder eine andere, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente geführt sind, mit der Basis, der Aufhängung (18) und/oder Versorgungs- und/oder Steuereinrichtungen gekoppelt ist/sind, und wobei zumindest einer der Oberarme (22) und/oder Unterarme (24) wenigstens eines der Stellarme (20) und/oder die andere, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindende und/oder mechanisch koppelnde Komponente mit mindestens einer in seiner/ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung verlaufenden, in das jeweilige Bauteil integrierten Signal-, Versorgungs-, Druck- und/oder Fluidleitung (42, 52, 54) ausgestattet wird, welche mindestens eine Leitung (42, 52, 54) in einer Wandung (50) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente appliziert und/oder eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die mindestens eine Leitung (42, 52, 54) in die Wandung (50) des jeweiligen Oberarms (22) und/oder Unterarms (24) bzw. der anderen, die Basis bzw. Aufhängung (18) mit dem Manipulator (16) und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf (26) verbindenden und/oder mechanisch koppelnden Komponente einlaminiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung eines Parallelkinematik-Roboters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Verwendung eines Parallelkinematik-Roboters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Industrieroboter zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen Gegenständen im Zusammenhang mit dem Transport und Beförderung, der Verarbeitung, der Verpackung und/oder der Palettierung der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter und/oder Gebinde- und/oder Stückgutlagen.
Verwendung eines Parallelkinematik-Roboters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Industrieroboter zur Führung wenigstens eines Werkzeuges im Zusammenhang mit der Fertigung, Mittel- und/oder Beschichtungsapplikation, Montage, Manipulation und/oder Handhabung in einer Fertigungs- und/oder Industrieumgebung.