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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Robotervorrichtung und eine Sensorvorrichtung für eine Robotervorrichtung.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Robotervorrichtungen werden in verschiedenen Anwendungen und Umgebungen eingesetzt, beispielsweise der automatisierten Produktherstellung. Solche Robotervorrichtungen umfassen üblicherweise einen beweglichen Arm, an welchem ein Werkzeug befestigt ist. Im Einsatz werden der Arm und das Werkzeug in Bezug auf das Produkt, das hergestellt werden soll, bewegt und umgekehrt.
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In diesem Zusammenhang ist ein Problem, das gelöst werden muss, die Vermeidung von Kollisionen zwischen der Robotervorrichtung und anderen Objekten oder menschlichen Bedienern.
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Bekannte Lösungen für dieses Problem umfassen stationäre Sensorvorrichtungen, welche bedienbar sind, die Umgebung der Robotervorrichtung zu erfassen. Übliche Sensorvorrichtungen umfassen Ultraschall, maschinelles Sehen, LiDAR oder TOF-Sensoren. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Robotervorrichtung das Sichtfeld der Sensoren versperren kann, und dabei die zuverlässige Erfassung von möglichen Kollisionen verhindert.
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Bei einer alternativen Vorgehensweise sind Drehmomentsensoren an den beweglichen Teilen der Robotervorrichtungen befestigt, um Kollisionen durch Erfassen von Drehmomentschwankungen zu erkennen. Somit werden bei dieser Vorgehensweise Kollisionen nicht verhindert, sondern erkannt, nachdem sie passiert sind. Um Schäden zu verhindern, werden Teile der Robotervorrichtung mit einer schützenden Haut oder Beschichtung versehen. Die Haut selbst kann zudem angeordnet sein, Kollisionen zu erkennen.
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Des Weiteren ist allgemein bekannt, Roboterarme mit optischen Sensoren auszustatten, um Steuerung und Lenkung des Roboterarms in Bezug auf ein anderes Objekt zu unterstützen, z.B. ein Produkt, das durch einen Roboterarm behandelt werden soll.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Robotervorrichtung und eine Sensorvorrichtung für eine Robotervorrichtung bereitzustellen, die eine verbesserte Erkennung von Gegebenheiten bereitstellt, die auf eine mögliche Kollision mit einem Objekt in der Umgebung der Robotervorrichtung hinweist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 wiedergegeben.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Robotervorrichtung bereitgestellt, die Folgendes umfasst: mehrere Sensoren, die über mindestens einen Abschnitt der Fläche der Robotervorrichtung verteilt sind, wobei die Sensoren bedienbar sind, ein Objekt in der Umgebung der Robotervorrichtung auf Grundlage einer Relativbewegung des Objekts in Bezug auf die Sensoren optisch zu ermitteln.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, durch Erkennen des Vorhandenseins eines Objekts auf Grundlage von dessen Bewegung relativ zur Robotervorrichtung, optische Sensoren mit niedriger Auflösung zu nutzen. Solche Sensoren können in Gruppen und/oder gleichmäßig auf einem Abschnitt der Umfangsfläche der Robotervorrichtung, insbesondere der Fläche von beweglichen Teilen der Robotervorrichtung, z.B. einem beweglichen Arm oder einem Abschnitt davon, angeordnet sein.
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Aufgrund der Fähigkeit, Sensoren mit niedriger Auflösung zu verwenden, ist es möglich, eine große Anzahl solcher Sensoren zu verhältnismäßig niedrigen Kosten bereitzustellen. Die Sensoren können in Gruppen angeordnet werden. Zum Beispiel kann eine Gruppe 100 oder mehr solcher Sensoren umfassen. Zudem können die Sensoren derartig angeordnet sein, dass sie Redundanz bereitstellen, sodass die Erkennung von Objekten immer noch möglich ist, wenn einige der Sensoren ausfallen. Darüber hinaus ist die Verarbeitung der Ausgabe der Sensoren mit niedriger Auflösung von verhältnismäßig geringer Komplexität, sodass die Verarbeitung durch verhältnismäßig einfache und/oder kostengünstige Steuerungen ausgeführt werden kann. Solche Steuerung kann kompakt und robust sein, sodass sie mit den Sensoren integriert sein kann.
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Die Erfassung mit niedriger Auflösung von Relativbewegungen, die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, steht im Gegensatz zu herkömmlichen Robotersystemen, die komplexe Bilderkennungssysteme mit hohen Gemeinkosten und praktisch keiner Redundanz einsetzen.
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Die Fläche der Robotervorrichtung, auf welcher die Sensoren angeordnet sind, kann durch einen Bereich eines zylindrischen Roboterarms gebildet sein. In diesem Beispiel sind die Sensoren um die zylindrische Außenfläche des Arms angeordnet, zum Beispiel am Ende des Roboterarms, an dessen Ende ein Roboterwerkzeug befestigt ist.
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In einer Ausführungsform umfassen die Sensoren mindestens erste Sensoren, die erste Sensoreigenschaften aufweisen und zweite Sensoren, die zweite Sensoreigenschaften aufweisen, die von den ersten Sensoreigenschaften abweichen. Zum Beispiel können die ersten und zweiten Sensoren optische Sensoren sein, die unterschiedliche Empfindlichkeiten in unterschiedlichen Spektralbereichen aufweisen (z. B. VIS, NIR, MIR). Alternativ können die ersten Sensoren optische Sensoren sein und die zweiten Sensoren können Piezo- und/oder pyroelektrische Sensoren sein.
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Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Sensoren einander abwechselnd angeordnet. Dadurch können die unterschiedlichen Sensoren gleichmäßig verteilt werden, was die allgemeine Empfindlichkeit verbessert.
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In einer Ausführungsform umfassen die Sensoren Sensoren, die beiderlei, piezoelektrisch und pyroelektrisch sind. Solche Sensoren sind als Pyzoflex®-Sensoren bekannt und können durch einen Druckvorgang appliziert werden.
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In einer Ausführungsform sind die mehreren Sensoren in einer Sensorvorrichtung aufgenommen, die eine integrierte Steuervorrichtung umfasst, um eine Änderung oder ein Beenden einer Bewegung der Robotervorrichtung als Reaktion auf eine Erkennung eines Objekts in der Umgebung der Robotervorrichtung zu bewirken. Diese Ausführungsform ermöglicht die Anwendung einer kompakten Steuervorrichtung, die genutzt werden kann, um die Funktion der Robotervorrichtung zu steuern, insbesondere um Bewegungen der Robotervorrichtung zu steuern, um Kollisionen zu vermeiden. Die Steuervorrichtung kann an eine Hauptsteuerung der Robotervorrichtung angeschlossen sein und kann der Hauptsteuerung Steuerbefehle erteilen, um Bewegungen der Robotervorrichtung als Reaktion auf die Erkennung eines (unerwünschten) Objekts in der Umgebung zu steuern.
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In einer Ausführungsform umfasst die Robotervorrichtung einen Roboterarm, der eine oder mehrere Bereiche einschließt, wobei mindestens einer der Bereiche beweglich ist, wobei die Sensoren über mindestens einen Abschnitt der Fläche von mindestens einem der Bereiche des Roboterarms verteilt sind. Eine solche Robotervorrichtung kann in der automatisierten robotergestützten Produktherstellung eingesetzt werden, zum Beispiel bei Montagelinien. Die Sensoren ermöglichen eine Steuerung der Bewegung des beweglichen Bereichs des Roboterarms und/oder anderer beweglicher Vorrichtungen, die im automatisierten Herstellungsprozess verwendet werden. Solche Bewegungen können als Reaktion auf die Erkennung einer möglichen Kollision gestoppt oder verändert werde.
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In einer Ausführungsform umfasst der Roboterarm eine Sensorvorrichtung, die die mehreren Sensoren umfasst, wobei die Sensorvorrichtung ringförmig und an einem Ende des mindestens einen beweglichen Bereichs des Roboterarms angeordnet ist. Die ringförmige Sensorvorrichtung ermöglicht eine Rundumsicht des Sensors.
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In einer Ausführungsform umfasst das Ende des beweglichen Bereichs einen Flansch, wobei die Sensoren im Flansch integriert sind. Solch ein Flansch kann bereitgestellt sein, um ein Werkzeug am Roboterarm zu befestigen. Durch Integrieren des Sensors im Flansch ist es möglich, einen Bereich in der Umgebung des Werkzeugs zu überwachen, ohne zusätzlichen Platz für die Sensoren zu benötigen.
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Insbesondere können die Sensoren um den Umfang des Flansches verteilt werden. Vorzugsweise sind die Sensoren angeordnet, um radial nach außen um den Umfang des Flansches gerichtet zu sein. Dementsprechend weisen die Sensoren ein radiales Sichtfeld von 360° in Bezug auf die Achse des Flansches auf.
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In einer Ausführungsform sind die Sensoren in einer Gruppe auf der Fläche der Robotervorrichtung angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht die Überwachung von besonders kritischen Bereichen in der Umgebung der Robotervorrichtung.
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In einer Ausführungsform sind die Sensoren angeordnet, um die Relativbewegung eines Objekts in Bezug auf die Sensoren innerhalb einer Reichweite bis zu ungefähr 1 Meter von den Sensoren optisch zu erkennen. Dementsprechend ist es möglich, Sensoren zu nutzen, die ausschließlich innerhalb dieser Reichweite arbeiten, was das Bereitstellen einer großen Anzahl von relativ kostengünstigen Sensoren ermöglicht.
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Die Robotervorrichtung kann durch einen Roboterarm, einen mobilen Roboter oder eine Drohne gebildet sein. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Roboteranwendungen und Umgebungen genutzt werden. Bei jeder Anwendung können die Sensoren derartig angeordnet sein, dass anwendungsspezifische Anforderungen erfüllt werden, z.B. eine kreisförmige Anordnung von radial nach außen gerichteten Sensoren, um eine Rundumsicht bereitzustellen, eine Sensoranordnung in Gruppen, um bestimmte begrenzte Bereiche zu überwachen, usw.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung für eine Robotervorrichtung bereitgestellt, wobei die Sensorvorrichtung umfasst: ein Trageelement, insbesondere kragenförmiges oder ringförmiges Trageelement, wobei das Trageelement mehrere Sensoren einschließt, das Trageelement an einer Robotervorrichtung befestigt werden kann, insbesondere an einem Roboterarm, wobei die Sensoren bedienbar sind, um optisch ein Objekt in der Umgebung der Robotervorrichtung auf Grundlage einer Relativbewegung des Objekts in Bezug auf die Sensoren zu erkennen, und wobei die Sensoren um die Außenfläche verteilt sind, insbesondere den Umfang des Trageelements, und wobei die Sensoren angeordnet sind, um die Fläche des Trageelements nach außen gerichtet zu sein, insbesondere radial nach außen um den äußeren Umfang des Trageelements.
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Solch eine Sensorvorrichtung kann in vorhandenen Robotervorrichtungen nachgerüstet werden. Zum Beispiel kann das kragen- oder ringförmige Trageelement an einem beweglichen Arm einer Robotervorrichtung befestigt werden, wobei die Erkennung von Objekten in der Umgebung der Robotervorrichtung, wie vorstehend beschrieben, ermöglicht wird.
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In einer Ausführungsform umfasst das Trageelement eine integrierte Steuervorrichtung, um ein Steuersignal zu erzeugen, um eine Änderung oder ein Beenden einer Bewegung der Robotervorrichtung als Reaktion auf eine Erkennung eines Objekts in der Umgebung der Robotervorrichtung zu bewirken. Dementsprechend ist es durch Nachrüsten der Sensorvorrichtung in einer Robotervorrichtung nicht nur möglich, die Erfassungsfunktion hinzuzufügen, sondern auch die Steuerfunktion, die ein Steuern der Bewegung der Robotervorrichtung ermöglicht, z.B. Bewegungen eines beweglichen Arms oder der gesamten Robotervorrichtung zu stoppen oder zu verändern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt:
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1 stellt schematisch eine Robotervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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2 stellt schematisch eine Anordnung von mehreren Sensoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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3 stellt schematisch eine Robotervorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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4 stellt schematisch einen mobilen Roboter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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5 stellt schematisch eine Drohne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Robotervorrichtung 1 umfasst einen Roboterarm 2 in einer typischen Konfiguration mit sechs Freiheitsgraden. Ein Werkzeug 4 ist am Roboterflansch 7 am äußeren (freien) Ende des Arms befestigt. Das beispielhafte Werkzeug 4 umfasst ein zylindrisches stabförmiges Element 5, das mit dem Roboterflansch 7 und einem Greifelement 6 verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Roboterflansch 7 mehrere Sensoren (nicht gezeigt). Die Sensoren sind auf der äußeren zylindrischen Umfangsfläche des Flansches 7 angeordnet und radial nach außen gerichtet.
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Die Robotervorrichtung 1 umfasst ferner einen Basisabschnitt 8, der ein Drehgelenk, ersten- 3a, zweiten- 3b und dritten beweglichen Armabschnitt 3c, Drehgelenke 9a und 9b, sowie ein kugelförmiges Gelenk 9c mit dem an ihm befestigten Roboterflansch 7, umfasst. In der dargestellten Ausführungsform sind jeder der Armabschnitte 3a, 3b, 3c zylindrisch, auch wenn andere Formen möglich sind.
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2 stellt schematisch eine Sensorvorrichtung 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Sensorvorrichtung 20 umfasst ein Trageelement 21 zum Tragen von mehreren Sensoren 22a, 22b. Die Sensoren 22a, 22b sind auf einer äußeren Fläche des Trageelements 21 angeordnet. Insbesondere sind die Sensoren 22a, 22b gleichmäßig über die gesamte äußere Fläche des Trageelements 21 verteilt. Das Trageelement 21 kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Sensoren 22a, 22b in Bezug auf die Längsachse des Trageelements 21 radial nach außen gerichtet sind. in der dargestellten Ausführungsform ist das Trageelement zylindrisch, auch wenn andere Formen möglich sind. Die Sensoren 22a, 22b sind facettenartig auf der äußeren Fläche des Trageelements 21 angeordnet. Das Trageelement bildet einen Kragen, der um den Flansch 7 und/oder eine oder mehrere der Armanschnitte 3a, 3b, 3c (1) angeordnet sein kann.
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Die Sensoren 22a, 22b umfassen zwei Arten unterschiedlicher Sensoren („Sensorpixel – Sensor 1“ und „Sensorpixel – Sensor 2“). Die Sensoren sind in abwechselnder Weise angeordnet, sodass in jeder Linie ein Sensor von einer Art zwischen zwei Sensoren der anderen Art angeordnet ist. Jede Art kann durch vorbestimmte Sensorparameter gekennzeichnet werden, z.B. Empfindlichkeit in einem bestimmten Spektralbereich, Erfassungsbereich usw.
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In einer Ausführungsform können die Sensoren 22a optische Sensoren von niedriger Auflösung sein, während die Sensoren 22b Piezo-/pyroelektrische Sensoren sein können, insbesondere Pyzoflex®-Sensoren. Vorzugsweise weisen die Sensoren einen Erfassungsbereich bis zu 1 Meter auf.
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Das Trageelement 21 kann eine integrierte Steuerung (nicht gezeigt) umfassen, die bedienbar ist, von den Sensoren 14 erfasste Daten zu verarbeiten und Steuersignale zum Steuern der Bewegung einer Robotervorrichtung zu erzeugen, an der die Sensorvorrichtung 20 befestigt ist.
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3 stellt schematisch eine Robotervorrichtung 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Abgesehen von der Anordnung der Sensoren stimmt die Robotervorrichtung 30 mit der Robotervorrichtung 1 in 1 überein. Jedoch sind in der Ausführungsform von 3 drei Sensorvorrichtungen 31, 32 und 33 jeweils um die beweglichen Armabschnitte 3a, 3b und 3c angeordnet. Jede der Sensorvorrichtungen 31, 32, 33 ist in kragen- oder manschettenartiger Weise ausgebildet, die um den jeweiligen Armabschnitt angeordnet ist. Dementsprechend umfasst jede der Sensorvorrichtungen 31, 32, 33 ein kragen- oder manschettenförmiges Trageelement, auf welchem mehrere Sensoren angeordnet sind.
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4 stellt schematisch eine Robotervorrichtung 40 von oben betrachtet gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dar. In dieser Ausführungsform ist die Robotervorrichtung 40 durch einen mobilen Roboter gebildet, wie beispielsweise einen Roboterrasenmäher oder Staubsauger auf Rädern 41. In dieser Ausführungsform sind mehrere Sensoren in Gruppen 42, 43, und 44 jeweils an zwei vorderen Ecken und dem hinteren Ende der Robotervorrichtung 40 angeordnet.
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5 stellt schematisch eine Robotervorrichtung 50 von oben betrachtet gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform ist die Robotervorrichtung 50 durch eine Drohne gebildet. Die Drohne umfasst ein zentrales Element 51, an dem vier Rotorhalter 52 angebracht sind. Ein Rotorflansch 53 ist am freien Ende von jedem der Halter 52 angebracht. Rotorblätter 54 sind an jedem der Rotorflansche 53 angebracht. Sensorvorrichtungen 55 und 56 sind um einen Abschnitt des Umfangs von zwei der Flansche 53 bereitgestellt. Die Sensoren sind in Bezug auf die Rotationsachse der Rotorflansche 53 radial nach außen gerichtet. Eine weitere Sensorvorrichtung 57 ist an einer Seite (der hinteren) des zentralen Elements 51 bereitgestellt. Jede der Sensorvorrichtungen 55, 56 und 57 umfasst mehrere Sensoren, die in entsprechenden Gruppen angeordnet sind.
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Die Anordnungen der Sensoren, die in 4 und 5 dargestellt sind, sind nur beispielhaft. Weitere Anordnungen sind möglich, wie beispielsweise eine Gruppenanordnung von Sensoren auf jedem der Rotorflansche 53 (5) oder um die gesamte Umfangsfläche der Robotervorrichtung 40 (4). Diese Anordnungen stellen ebenfalls nur Beispiele dar.
