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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Roboteranordnung mit einem Auftriebskörper, welcher zur Befüllung mit einem Gas leichter als Luft vorgesehen ist.
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Gemäß dem Stand der Technik werden bei der Ausführung von Installations-, Instandsetzungs-, Reinigungs- oder Inspektionsaufgaben an Bauwerken oder anderen Objekten in großen Höhen Fachkräfte mit technischen Hilfsmitteln an den Einsatzort gebracht. Bei diesen technischen Hilfsmitteln handelt es sich insbesondere um Hubbühnen, Kransysteme, Gerüste und Seilsysteme. Es gibt jedoch Einsatzorte, wo diese technischen Hilfsmittel aus unterschiedlichen Gründen, wie begrenzte Zugangsbereiche oder Bodenbelastungen, nicht zum Einsatz kommen können.
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Die Drohnentechnologie gemäß dem Stand der Technik ist nur für einfache visuelle Inspektionen geeignet, was für eine Bauwerksinspektion nicht ausreichend ist. Ein Nachteil der Drohnentechnologie ist die negative Umweltbeeinflussung durch die propeller- oder düsenbasierte Schubkrafterzeugung.
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Aus dem Stand der Technik sind Plattformen mit Auftriebskörpern bekannt, die leichter als Luft sind. Ein Nachteil dieser Plattformen besteht darin, dass mit der durch den Menschen und die notwendigen Werkzeuge bedingten großen Masse auch ein großes Volumen des Auftriebskörpers verbunden ist. Entsprechend ist ein großes Volumen des Auftriebsgases erforderlich, wodurch hohe Kosten entstehen. Die Größe des Auftriebskörpers schränkt den Anwendungsbereich ein. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass an das zum Einsatz kommende Personal spezielle Anforderungen gestellt werden müssen; u. a. hinsichtlich Höhentauglichkeit, Gesundheit, Fitness, Qualifikation und Körpergewicht. Oft können die Tätigkeiten in der Höhe nur in bestimmten Zeitfenstern realisiert werden. Durch die hohe psychische und physische Belastung ist die Einsatzzeit vor Ort begrenzt.
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Das Produkt „Roboterballon“ des Herstellers Aerobotics besteht aus einem Ballon, welcher leichter als Luft ist und an welchem eine funkgesteuerte Kamera montiert ist. Dieses Produkt soll vermessungstechnische Arbeiten oder dokumentarische Aufnahmen ermöglichen. Die Kamera wird durch einen leichten Roboterarm gehalten, der auch mit Werkzeugen ausgestattet werden kann. Im praktischen Einsatz hat sich allerdings gezeigt, dass mit nur einem Roboterarm zahlreiche Aufgaben nicht gelöst werden können. Außerdem ist die Stabilität des vorbekannten Produktes nicht ausreichend.
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Die
DE 10 2008 002 924 A1 und die
EP 2 141 114 A1 zeigen eine Vorrichtung zur Arbeit in großen Höhen. Die Vorrichtung umfasst eine Arbeitspositionierung, die von einem mit einem Gas leichter als Luft gefüllten Auftriebskörper getragen wird. Der Auftriebskörper trägt mindestens eine für eine Arbeitskraft und/oder technische Ausrüstung nutzbare Arbeitspositionierung, welche auch im Bereich oberhalb des Schwerpunktes auf der Oberfläche des Auftriebskörpers einsetzbar ist. Der Auftriebskörper ist im Raum in der x-, y- und z-Achse frei positionierbar und in seiner Neigung durch die Anwendung eines Mittels zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand beeinflussenden Gegenkraft kontrollierbar und in einer stabilen Lage fixierbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die Ausführung von Installations-, Instandsetzungs-, Reinigungs- oder Inspektionsaufgaben an Bauwerken oder anderen Objekten in großen Höhen zu erleichtern.
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Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Roboteranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Roboteranordnung dient zur Handhabung und/oder Manipulation eines oder mehrerer Objekte, die sich in einer größeren Höhe über dem Erdboden befinden und ansonsten nur aufwändig über eine mit dem Erdboden verbundene Konstruktion zu erreichen sind. Die Roboteranordnung umfasst mindestens einen Auftriebskörper zur Befüllung mit einem Gas, welches leichter als Luft ist. Somit ist die Roboteranordnung als freies oder gefesseltes Luftschiff ausgebildet, welches über dem Erdboden in der Luft schweben kann. Die Roboteranordnung umfasst weiterhin ein Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft. Durch dieses Mittel kann der Auftriebskörper zu einer bestimmten Position bewegt werden und/oder in dieser Position verharren. Die Roboteranordnung umfasst weiterhin eine am Auftriebskörper befestigte Plattform, welche mindestens zwei Roboterarme trägt. Mithilfe der Roboterarme kann ein Objekt gehandhabt und/oder manipuliert werden, wobei einer oder mehrere der Roboterarme dazu genutzt werden können, die Position des Auftriebskörpers mit der daran befindlichen Plattform und den Roboterarmen zu fixieren, sodass einer oder mehrere der Roboterarme das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft bilden können. Grundsätzlich umfasst die Roboteranordnung aber neben dem Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft mindestens zwei der Roboterarme, die zur Handhabung und/oder Manipulation eines oder mehrerer Objekte ausgebildet sind.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Roboteranordnung besteht darin, dass der Auftriebskörper keinen Mensch heben können muss, sodass er entsprechend klein ausgeführt werden kann, und dass die beiden Roboterarme den Menschen für viele Aufgaben ersetzen können. Da die erfindungsgemäße Roboteranordnung unbemannt betrieben werden kann, weist sie den Vorteil auf, dass deutlich geringere Sicherheits- und Schutzaufwendungen als bei einem Einsatz von Menschen erforderlich sind. Zudem sind längere Arbeitszyklen und Arbeitszeitverlagerungen möglich. Es ist eine Automatisierung und eine Objektivierung von Teilprozessen durch sensorische Kontrollen möglich, wodurch eine gleichmäßig hohe Qualität und eine Dokumentierbarkeit gewährleistet wird. Da der Auftriebskörper klein ausgeführt werden kann, ergibt sich ein breites Einsatzspektrums der Roboteranordnung.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Roboteranordnung ist der Auftriebskörper durch einen Ballon gebildet. Der Auftriebskörper kann durch ein Prallluftschiff, durch ein Halbstarrluftschiff oder durch ein Starrluftschiff gebildet sein. In einer Ausführungsform als Halbstarrluftschiff oder als Starrluftschiff umfasst der Auftriebskörper bevorzugt ein Gestell, welches vor allem der Gleichgewichtsstabilisierung einer Hülle des Auftriebskörpers dient.
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Das Gas, welches leichter als Luft ist, ist bevorzugt durch Helium gebildet, wobei auch ein anderes Gas leichter als Luft oder erwärmte Luft verwendet werden kann. Der Auftriebskörper ist bevorzugt mit dem Gas, welches leichter als Luft ist, gefüllt. Der Auftriebskörper ist bevorzugt leichter als Luft. Bevorzugt ist der Auftriebskörper einschließlich der daran befestigten Plattform mit den mindestens zwei Roboterarmen leichter als Luft.
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Die Plattform ist bevorzugt an einer Außenwand des Auftriebskörpers befestigt. Die Plattform ist bevorzugt an einer oberen Hälfte des Auftriebskörpers an der Außenwand des Auftriebskörpers befestigt; insbesondere oberhalb eines Äquators des durch einen Ballon gebildeten Auftriebskörpers. Die Plattform umfasst bevorzugt eine horizontale Platte und eine mit dieser fest verbundene vertikale Platte auf, die an den Auftriebskörper angeformt sind. Die Plattform trägt die Roboterarme bevorzugt über einen in seiner Ausrichtung verstellbaren Roboterarmträger.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Roboteranordnung umfasst das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft weitere der Roboterarme, Zugseile und/oder schuberzeugende Triebwerke, welche am Auftriebskörper befestigt sind. Die Roboteranordnung umfasst bevorzugt mindestens drei der Roboterarme, wobei zwei der Roboterarme zur Manipulation und/oder Handhabung dienen, während der mindestens eine weitere Roboterarm das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft bildet. Bevorzugt umfasst die Roboteranordnung vier der Roboterarme, wobei zwei der Roboterarme zur Manipulation und/oder Handhabung dienen, während die zwei weiteren Roboterarme das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft bilden. Die alternativ oder ergänzend vorhandenen Zugseile sind jeweils an einem Ende am Auftriebskörper befestigt, während die Zugseile jeweils an dem anderen Ende bevorzugt an einer am Boden befindlichen Haltevorrichtung befestigt sind. Die Haltevorrichtung umfasst bevorzugt eine Winde zum Aufwickeln des Zugseiles und/oder Gewichte. Die Haltevorrichtung ist bevorzugt auf dem Boden verfahrbar. Die alternativ oder ergänzend vorhandenen schuberzeugenden Triebwerke sind bevorzugt durch Propeller oder durch Impeller gebildet. Die Roboteranordnung umfasst bevorzugt mehrere der schuberzeugenden Triebwerke, welche in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind, sodass der Auftriebskörper in unterschiedliche Richtungen getrieben werden kann. Das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft umfasst zudem bevorzugt ein Gewicht, welches an einer Unterseite des Auftriebskörpers befestigt ist, insbesondere unter einem Schwerpunkt des Auftriebskörpers. Das Gewicht sorgt für eine aufrechte Lage des Auftriebskörpers mit den daran befindlichen Roboterarmen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Roboteranordnung ist an der Plattform weiterhin ein Magazin für Werkzeuge, Greifer, Instrumente, Sonden und/oder Sensoren angeordnet. Die Werkzeuge, Greifer, Instrumente, Sonden bzw. Sensoren sind durch die Roboterarme greifbar. Somit kann die Roboteranordnung auch nach der Positionierung des Auftriebskörpers für unterschiedliche Arbeitsaufgaben konfiguriert werden. Das Magazin weist bevorzugt mehrere Behältnisbereiche für die Werkzeuge, Greifer, Instrumente, Sonden bzw. Sensoren auf.
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Das Magazin weist bevorzugt weiterhin Behältnisbereiche für Objekte und/oder Proben auf, welche während eines Einsatzes der Roboteranordnung in der Höhe von der Roboteranordnung aufgenommen werden und durch eine Lagerung in dem Magazin zum Boden transportiert werden können. Die Objekte bzw. Proben sind von den Roboterarmen aufnehmbar und durch diese in die Behältnisbereiche ablegbar.
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Das Magazin weist bevorzugt weiterhin mechanische Verriegelungen zum Verschließen der einzelnen Behältnisbereiche auf. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass die Inhalte des Magazins während der Bewegungen des Auftriebskörpers nicht aus dem Magazin fallen können. Die Verriegelungen sind bevorzugt elektrisch betätigbar.
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Das Magazin weist bevorzugt weiterhin Sensoren zur Messung von Zuständen des Magazins auf. Bei den Zuständen des Magazins handelt es sich insbesondere um Befüllungen der Behältnisbereiche und um Schließzustände der Verriegelungen der Behältnisbereiche. Somit kann erfasst werden, ob die Behältnisbereiche des Magazins leer oder gefüllt sind bzw. ob diese geöffnet oder verschlossen sind.
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Das Magazin umfasst bevorzugt eine Magazinsignalverarbeitungseinheit, welche bevorzugt mit den Sensoren des Magazins und/oder mit den elektrisch betätigbaren Verriegelungen elektrisch verbunden ist. Die Magazinsignalverarbeitungseinheit empfängt die Signale der Sensoren. Die Magazinsignalverarbeitungseinheit steuert die elektrisch betätigbaren Verriegelungen an.
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Die Roboteranordnung umfasst bevorzugt weiterhin mindestens eine zentrale Kamera, welche bevorzugt mittelbar oder unmittelbar an der Plattform befestigt ist. In besonderen Ausführungen können Detailkameras zusätzlich angeordnet sein, beispielsweise an den Handwurzeln der Roboterarme. Die Kamera dient zur visuellen Erfassung der zu inspizierenden, zu manipulierenden bzw. zu handhabenden Objekte und gegebenenfalls auch der Roboterarme. Die Kamera umfasst bevorzugt ein Mikrofon, sodass auch Ton aufgenommen werden kann. Die Kameras sind vorzugsweise mit Beleuchtungseinheiten, insbesondere LED-Scheinwerfern ausgerüstet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Roboteranordnung umfassen weiterhin eine vom Auftriebskörper entfernte Bedieneinheit und eine am Auftriebskörper angeordnete Steuerungselektronik. Die Bedieneinheit und die Steuerungselektronik sind über ein elektrisches Kabel und/oder über eine drahtlose Verbindung miteinander verbunden, sodass Informationen von der Bedieneinheit zur Steuerungselektronik und zurück übertragen werden können. Die Bedieneinheit ist dafür vorgesehen, am Boden genutzt zu werden. Ein Bediener kann mithilfe der Bedieneinheit die Roboteranordnung bedienen; beispielsweise die Roboterarme steuern oder Bilder der Kamera betrachten.
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Die Steuerungselektronik am Auftriebskörper ist bevorzugt mit den Roboterarmen und gegebenenfalls auch mit der Kamera und gegebenenfalls mit den von den Roboterarmem verwendeten Sensoren und gegebenenfalls mit an der Plattform und/oder an dem Auftriebskörper befindlichen Sensoren elektrisch verbunden. Die Sensoren umfassen bevorzugt Temperatur-, Feuchte-, Druck-, Inertial- und/oder Abstandssensoren. Die elektrische Verbindung kann drahtgebunden oder drahtlos sein. Durch die elektrische Verbindung können Daten von der Bedieneinheit über die Steuerungselektronik zu den Roboterarmen bzw. zu den Sensoren und zurück übertragen werden.
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Die Steuerungselektronik ist bevorzugt auch mit der Magazinsignalverarbeitungseinheit elektrisch verbunden. Durch diese elektrische Verbindung können Daten von der Bedieneinheit über die Steuerungselektronik und weiter über die Magazinsignalverarbeitungseinheit zu den Sensoren am Magazin und/oder den elektrisch betätigbaren Verriegelungen und zurück übertragen werden.
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Die Steuerungselektronik ist bevorzugt an der Plattform angebracht.
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Die Bedieneinheit umfasst bevorzugt mindestens ein haptisches Eingabegerät zum Bedienen des Auftriebskörpers und/oder der Roboterarme. Das mindestens eine haptische Eingabegerät ist bevorzugt durch einen Joystick gebildet, der bevorzugt zur Steuerung in sechs Dimensionen ausgebildet ist. Die Bedieneinheit umfasst bevorzugt mindestens zwei dieser Joysticks.
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Das haptische Eingabegerät ist bevorzugt durch eine manuell steuerbare Eingabekinematik gebildet, welche die Roboterarme nachbildet, d. h. dass die manuell steuerbare Kinematik in ihrer Dimension und in ihrer Struktur der Kinematik der Roboterarme entspricht. Die haptische Eingabekinematik weist Gelenke auf, in denen sich absolute Weg- und/oder Winkelmesssysteme befinden, die in einem einfachen Fall durch Potentiometer gebildet sein können. Die Messwerte dieser Weg- bzw. Winkelmesssysteme bilden die Vorgabe für die Positionierung der jeweils zugehörigen Gelenke der Roboterarme deren tatsächlich eingenommene Position beispielsweise ebenfalls durch Potenziometer erfasst wiird. Somit ist eine technisch einfache und intuitive Bewegungssteuerung der Roboterarme möglich, denn die Kinematik am Roboterarm folgt direkt der Eingabekinematik.
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Die Bedieneinheit umfasst bevorzugt eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen der mit der Kamera bzw. den Kameras aufgenommenen Bilder, sodass der Bediener am Boden diese Bilder betrachten kann, um beispielsweise eine Inspektion vorzunehmen. Die Anzeigeeinheit ist bevorzugt durch einen Bildschirm oder durch ein auf dem Kopf zu tragendes visuelles Ausgabegerät, beispielsweise in Form einer Videobrille, gebildet.
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Die Kamera ist bevorzugt zur Aufnahme stereoskopischer oder dreidimensionaler Bilder ausgebildet, während die Anzeigeeinheit bevorzugt zum Anzeigen der stereoskopischen bzw. dreidimensionalen Bilder ausgebildet ist. Die Anzeigeeinheit ist bevorzugt durch eine 3D-Brille, durch eine 3D-Anzeige oder durch einen gewölbten Bildschirm gebildet.
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Die Bedieneinheit umfasst bevorzugt ergänzend auch eine Anzeige zum Anzeigen von Steuerinformationen und Statusinformationen. Diese Anzeige ist bevorzugt durch einen Bildschirm gebildet. Die Bedieneinheit umfasst bevorzugt ergänzend auch einen Lautsprecher zur akustischen Ausgabe von Steuerinformationen und/oder Statusinformationen und/oder zur Wiedergabe von Aufnahmen des Mikrofons.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Roboteranordnung sind die Bedieneinheit und die Steuerungselektronik über einen Bus miteinander verbunden. Die Roboteranordnung umfasst bevorzugt zudem einen Rechner, welcher als ein Master auf dem Bus konfiguriert ist. Der Rechner ist bevorzugt durch einen Industrie-PC gebildet. Der Rechner ist bevorzugt zur Konvertierung und/oder Speicherung von Signalen der Sensoren konfiguriert. Der Rechner ist bevorzugt zur Generierung von Steuersignalen für die Roboterarme entsprechend den Eingaben an der Bedieneinheit konfiguriert. Der Rechner ist bevorzugt zur Visualisierung von Prozessdaten konfiguriert. Der Rechner umfasst bevorzugt eine Tastatur zur Eingabe von Prozessparametern und einen Monitor.
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Die erfindungsgemäße Roboteranordnung umfasst bevorzugt weiterhin eine Stromversorgungseinheit zur elektrischen Versorgung der Roboterarme und gegebenenfalls der Steuerungselektronik. Die Stromversorgungseinheit ist bevorzugt zur Spannungswandlung ausgebildet; insbesondere zur Spannungswandlung von einer Netzspannung auf eine Spannung zum Betreiben der Roboterarme. Die Stromversorgungseinheit umfasst bevorzugt einen Elektroenergiespeicher, der bevorzugt durch einen Akkumulator gebildet ist. Mit dem Elektroenergiespeicher können Ausfälle der Netzspannung überbrückt werden. Die Stromversorgungseinheit ist bevorzugt entfernt von dem Auftriebskörper angeordnet und über ein elektrisches Kabel mit der Steuerungselektronik am Auftriebskörper verbunden, sodass die Stromversorgungseinheit am Boden, beispielsweise an der Bedieneinheit angeordnet werden kann. Die Stromversorgungseinheit ist alternativ bevorzugt am Auftriebskörper angeordnet, wofür sie einen Elektroenergiespeicher umfasst, der bevorzugt durch einen Akkumulator gebildet ist. Die Stromversorgungseinheit ist dabei bevorzugt an der Plattform befestigt. Diese Ausführungsform erlaubt einen fesselfreien Betrieb des Auftriebskörpers.
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Die erfindungsgemäße Roboteranordnung umfasst bevorzugt vier der Roboterarme, wobei ein erstes Paar der Roboterarme zur Manipulation und/oder Handhabung von Objekten dient, während ein zweites Paar der Roboterarme zum Fixieren der Plattform bzw. des Auftriebskörpers dient und somit zumindest teilweise das Mittel zur Erzeugung einer den Gleichgewichtszustand des Auftriebskörpers beeinflussenden Gegenkraft bildet. Das zweite Paar der Roboterarme ist bevorzugt unterhalb des ersten Paares der Roboterarme angeordnet.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Roboterarme umfassen die Roboterarme jeweils mindestens einen ersten Armteil und einen zweiten Armteil, welche die Kraft und die Momente zur Handhabung bzw. Manipulation des Objektes übertragen können. Der erste Armteil trägt den zweiten Armteil bzw. umgekehrt. Der erste Armteil und der zweite Armteil sind über ein Gelenk miteinander verbunden, sodass der zweite Armteil gegenüber dem ersten Armteil um eine Achse verschwenkbar ist, welche senkrecht zu einer sich längs des ersten Armteiles erstreckenden Achse und/oder senkrecht zu einer sich längs des zweiten Armteiles erstreckenden Achse ausgerichtet ist.
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Die Armteile umfassen jeweils einen rohrförmigen tragenden Grundkörper. Die Rohrform ermöglicht eine hohe mechanische Belastbarkeit bei einer geringen Masse. Die durch die Armteile zu übertragenden Kräfte und Momente sind über die rohrförmigen Grundkörper übertragbar, sodass sie wie das Gelenk Teile einer kinematischen Kette des jeweiligen Roboterarmes bilden. Die rohrförmigen tragenden Grundkörper bilden jeweils eine Außenfläche bzw. eine Außenhaut der Armteile. Die rohrförmigen tragenden Grundkörper sind bevorzugt durch Rohre gebildet.
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In einem Inneren des rohrförmigen tragenden Grundkörpers des ersten Armteiles ist ein Linearaktuator angeordnet, durch welchen eine Kraft erzeugbar ist, um den ersten Armteil und den zweiten Armteil zueinander über das Gelenk zu verschwenken. Der Linearaktuator weist eine Haupterstreckungsrichtung auf, die bevorzugt parallel zum rohrförmigen tragenden Grundkörper des ersten Armteiles angeordnet ist. Der Linearaktuator erstreckt sich bevorzugt mindestens über die Hälfte der Länge des rohrförmigen Grundkörpers des ersten Armteiles. Ein erstes Ende des Linearaktuators steht mit dem ersten Armteil in einem mechanischen Eingriff. Ein zweites Ende des Linearaktuators steht mit dem zweiten Armteil in einem mechanischen Eingriff. Die mit dem Linearaktuator erzeugbare Kraft wirkt zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende. Ein Antreiben des Linearaktuators führt dazu, dass sich der Abstand zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende ändert. Ein Antreiben des Linearaktuators führt somit dazu, dass eine Kraft zwischen dem ersten Armteil und dem zweiten Armteil wirkt, durch welche der erste Armteil und der zweite Armteil zueinander über das Gelenk verschwenkt werden.
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Ein Vorteil dieser ersten Ausführungsform der Roboterarme besteht darin, dass die rohrförmigen Grundkörper der Armteile eine den Linearaktuator umschließende Außenhülle der Armteile bilden und gleichzeitig eine tragende Funktion übernehmen. Somit weisen die Armteile außer den rohrförmigen Grundkörpern keine tragenden Elemente auf. Die Roboterarme sind jeweils schlank, leicht, robust und sicher ausführbar. Die Roboterarme sind jeweils gemäß dem Exoskelettprinzip ausgebildet. Das Exoskelett wird jeweils durch die rohrförmigen Grundkörper der Armteile gebildet.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Gelenk hohl ausgebildet. Die rohrförmigen Grundkörper der Armteile und das hohle Gelenk bilden bevorzugt einen sich durch die Grundkörper der beiden Armteile und über das Gelenk erstreckenden Hohlraum aus. Somit wird das Exoskelett durch die rohrförmigen Grundkörper der Armteile und auch durch das Gelenk gebildet.
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Das mindestens eine hohle Gelenk weist bevorzugt eine Gelenkwandung auf, welche den durch das hohle Gelenk gebildeten Hohlraum umschließt. In der Gelenkwandung ist bevorzugt mindestens ein rotatives Lager mit einem Innenring und mit einem Außenring ausgebildet. Der Innenring und der Außenring sind jeweils scheibenförmig ausgebildet. Das rotative Lager ist bevorzugt durch ein Gleitlager oder durch ein Wälzlager gebildet. Der Innenring ist fest mit einem der beiden Armteile verbunden, während der Außenring fest mit dem anderen der beiden Armteile verbunden ist. Bevorzugt sind zwei der rotativen Lager in der Gelenkwandung ausgebildet. Die beiden rotativen Lager weisen bevorzugt eine gleiche Drehachse auf und sind auf der Drehachse axial beabstandet angeordnet. Der axiale Abstand gleicht bevorzugt einem äußeren Durchmesser der rohrförmigen tragenden Grundkörper der Armteile.
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Die Gelenkwandung umfasst bevorzugt weiterhin eine flexible Manschette, welche den durch das hohle Gelenk gebildeten Hohlraum bis an die rohrförmigen Grundkörper der Armteile und bis an das mindestens eine rotative Lager umschließt.
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Bevorzugt ist der sich durch die Grundkörper der jeweiligen beiden Armteile und über das jeweilige Gelenk erstreckende Hohlraum staubdicht abgedichtet. Bevorzugt ist der sich durch die Grundkörper der jeweiligen beiden Armteile und über das jeweilige Gelenk erstreckende Hohlraum wasserdicht oder zumindest spritzwasserdicht abgedichtet. Bevorzugt ist der sich durch die Grundkörper der jeweiligen beiden Armteile und über das jeweilige Gelenk erstreckende Hohlraum luftdicht abgedichtet. Der sich durch die Grundkörper der jeweiligen beiden Armteile und über das jeweilige Gelenk erstreckende Hohlraum ist bevorzugt mit einem Schutzgas gefüllt.
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Das erste Ende des jeweiligen Linearaktuators ist bevorzugt in einem Schwenklager gegenüber dem jeweiligen ersten Armteil gelagert, sodass der jeweilige Linearaktuator während des Antreibens der durch das Antreiben bewirkten Auslenkung folgen kann. Das jeweilige Schwenklager ist bevorzugt an einer Innenwand des rohrförmigen Grundkörpers des jeweiligen ersten Armteiles befestigt.
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Das zweite Ende des jeweiligen Linearaktuators ist bevorzugt an einem am jeweiligen zweiten Armteil befestigen Hebel gelagert. Der jeweilige Hebel erstreckt sich bevorzugt bis in den Hohlraum des jeweiligen hohlen Gelenkes. Das zweite Ende des jeweiligen Linearaktuators ist bevorzugt innerhalb des Hohlraumes des jeweiligen hohlen Gelenkes am Hebel gelagert.
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Der jeweilige Linearaktuator ist bevorzugt hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch antreibbar. Der jeweiligen Linearaktuator ist bevorzugt durch eine Elektromotor-Spindel-Kombination gebildet. Der jeweiligen Linearaktuator ist bevorzugt elektrisch steuerbar.
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Bevorzugt kann der jeweilige zweite Armteil gegenüber dem jeweiligen ersten Armteil über das jeweilige Gelenk geschwenkt werden, auch wenn der jeweiligen Linearaktuator sich in einem antriebslosen Zustand befindet. Hierfür ist ein Mindestmoment zwischen dem jeweiligen zweiten Armteil und dem jeweiligen ersten Armteil manuell aufzubringen.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt weiterhin jeweils eine Roboterarmsteuerungselektronik zur Ansteuerung des jeweiligen Linearaktuators, welche in dem sich durch die Grundkörper der beiden Armteile und über das Gelenk erstreckenden Hohlraum angeordnet ist. Die jeweilige Roboterarmsteuerungselektronik ist bevorzugt dazu ausgebildet, definierte Bewegungen der jeweiligen Armteile zu veranlassen. Insbesondere befindet sich im jeweiligen Roboterarm eine Roboterarmsteuerungselektronik zur Ansteuerung der jeweiligen Aktoren, zur Erfassung der Sensordaten und zur Kommunikation mit einer Master-Steuereinheit (z. B. ein Mikro PC), vorzugsweise über ein BusSystem. Die Master-Steuereinheit kann extern angeordnet sein oder mit im jeweiligen Roboterarm integriert sein.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt weiterhin jeweils eine Sensorik zur Messung der Verschwenkung des jeweiligen zweiten Armteiles gegenüber dem jeweiligen ersten Armteil, welche in dem sich durch die Grundkörper der beiden Armteile und über das Gelenk erstreckenden Hohlraum angeordnet ist. Die jeweilige Sensorik ist bevorzugt mit der jeweiligen Roboterarmsteuerungselektronik elektrisch verbunden. Elektrische Verbindungen sind ebenfalls bevorzugt in dem sich durch die Grundkörper der beiden Armteile und über das Gelenk erstreckenden Hohlraum angeordnet.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Roboterarme umfassen die Roboterarme jeweils eine drehbaren Fuß, einen vom Fuß getragenen Schulterarmteil, einen vom Schulterarmteil getragenen Oberarmteil, einen vom Oberarmteil getragenen Unterarmteil, einen vom Unterarmteil getragenen Handwurzelarmteil und bevorzugt einen vom Handwurzelarmteil getragenen Greifer, welche die Kraft und die Momente zur Handhabung bzw. Manipulation des Objektes übertragen können. Der drehbare Fuß, der Schulterarmteil, der Oberarmteil, der Unterarmteil, der Handwurzelarmteil und ggf. der Greifer bilden jeweils eine kinematische Kette des jeweiligen Roboterarmes.
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Der Schulterarmteil und der Oberarmteil sind bei den Roboterarmen jeweils über ein erstes Gelenk miteinander verbunden, sodass der jeweilige Oberarmteil gegenüber dem jeweiligen Schulterarmteil um eine Achse verschwenkbar ist, welche senkrecht zu einer sich längs des Schulterarmteiles erstreckenden Achse und/oder senkrecht zu einer sich längs des Oberarmteiles erstreckenden Achse ausgerichtet ist.
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Der Oberarmteil und der Unterarmteil sind bei den Roboterarmen jeweils über ein zweites Gelenk miteinander verbunden, sodass der jeweilige Unterarmteil gegenüber dem jeweiligen Oberarmteil um eine Achse verschwenkbar ist, welche senkrecht zu einer sich längs des Oberarmteiles erstreckenden Achse und/oder senkrecht zu einer sich längs des Unterarmteiles erstreckenden Achse ausgerichtet ist.
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Der Unterarmteil und der Handwurzelarmteil sind bei den Roboterarmen jeweils über ein drittes Gelenk miteinander verbunden, sodass der jeweilige Handwurzelarmteil gegenüber dem jeweiligen Unterarmteil um eine Achse verschwenkbar ist, welche senkrecht zu einer sich längs des Unterarmteiles erstreckenden Achse und/oder senkrecht zu einer sich längs des Handwurzelarmteiles erstreckenden Achse ausgerichtet ist.
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Bei den Roboterarmen umfassen jeweils zumindest der Schulterarmteil, der Oberarmteil und der Unterarmteil jeweils einen rohrförmigen tragenden Grundkörper. Die durch den jeweiligen Schulterarmteil, den jeweiligen Oberarmteil und den jeweiligen Unterarmteil zu übertragenden Kräfte und Momente sind über die rohrförmigen Grundkörper übertragbar, sodass sie wie das erste Gelenk, das zweite Gelenk und das dritte Gelenk Teile der kinematischen Kette des jeweiligen Roboterarmes bilden. Die rohrförmigen tragenden Grundkörper bilden jeweils eine Außenfläche bzw. eine Außenhaut des Schulterarmteiles, des Oberarmteiles bzw. des Unterarmteiles.
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In einem Inneren des rohrförmigen tragenden Grundkörpers des jeweiligen Schulterarmteiles ist ein erster Linearaktuator angeordnet, durch welchen eine Kraft erzeugbar ist, um den jeweiligen Schulterarmteil und den jeweiligen Oberarmteil zueinander über das jeweilige erste Gelenk zu verschwenken. Ein erstes Ende des jeweiligen ersten Linearaktuators steht mit dem jeweiligen Schulterarmteil in einem mechanischen Eingriff. Ein zweites Ende des jeweiligen ersten Linearaktuators steht mit dem jeweiligen Oberarmteil in einem mechanischen Eingriff. Die mit dem ersten Linearaktuator erzeugbare Kraft wirkt zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende. Ein Antreiben des ersten Linearaktuators führt dazu, dass sich der Abstand zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende ändert. Ein Antreiben des ersten Linearaktuators führt somit dazu, dass eine Kraft zwischen dem Schulterarmteil und dem Oberarmteil wirkt, durch welche der Schulterarmteil und der Oberarmteil zueinander über das erste Gelenk verschwenkt werden. Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor und/oder einen Momentensensor zum Messen der Verschwenkung zwischen dem jeweiligen Schulterarmteil und dem jeweiligen Oberarmteil.
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In einem Inneren des rohrförmigen tragenden Grundkörpers des jeweiligen Oberarmteiles ist ein zweiter Linearaktuator angeordnet, durch welchen eine Kraft erzeugbar ist, um den jeweiligen Oberarmteil und den jeweiligen Unterarmteil zueinander über das jeweilige zweite Gelenk zu verschwenken. Ein erstes Ende des jeweiligen zweiten Linearaktuators steht mit dem jeweiligen Oberarmteil in einem mechanischen Eingriff. Ein zweites Ende des jeweiligen zweiten Linearaktuators steht mit dem Unterarmteil in einem mechanischen Eingriff. Die mit dem zweiten Linearaktuator erzeugbare Kraft wirkt zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende. Ein Antreiben des zweiten Linearaktuators führt dazu, dass sich der Abstand zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende ändert. Ein Antreiben des zweiten Linearaktuators führt somit dazu, dass eine Kraft zwischen dem Oberarmteil und dem Unterarmteil wirkt, durch welche der Oberarmteil und der Unterarmteil zueinander über das zweite Gelenk verschwenkt werden. Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor und/oder einen Momentensensor zum Messen der Verschwenkung zwischen dem jeweiligen Oberarmteil und dem jeweiligen Unterarmteil.
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In einem Inneren des rohrförmigen tragenden Grundkörpers des jeweiligen Unterarmteiles ist ein dritter Linearaktuator angeordnet, durch welchen eine Kraft erzeugbar ist, um den jeweiligen Unterarmteil und den jeweiligen Handwurzelarmteil zueinander über das jeweilige dritte Gelenk zu verschwenken. Ein erstes Ende des jeweiligen dritten Linearaktuators steht mit dem jeweiligen Unterarmteil in einem mechanischen Eingriff. Ein zweites Ende des jeweiligen dritten Linearaktuators steht mit dem jeweiligen Handwurzelarmteil in einem mechanischen Eingriff. Die mit dem jeweiligen dritten Linearaktuator erzeugbare Kraft wirkt zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende. Ein Antreiben des dritten Linearaktuators führt dazu, dass sich der Abstand zwischen seinem ersten Ende und seinem zweiten Ende ändert. Ein Antreiben des dritten Linearaktuators führt somit dazu, dass eine Kraft zwischen dem jeweiligen Unterarmteil und dem jeweiligen Handwurzelarmteil wirkt, durch welche der Unterarmteil und der Handwurzelarmteil zueinander über das dritte Gelenk verschwenkt werden. Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor und/oder einen Momentensensor zum Messen der Verschwenkung zwischen dem Unterarmteil und dem Handwurzelarmteil.
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Der jeweilige Schulterarmteil weist eine freie Drehbarkeit gegenüber dem jeweiligen Fuß in einer sich längs des Schulterarmteiles erstreckenden Achse auf. Diese freie Drehbarkeit ist jeweils mit einem ersten Feststellelement fixierbar. Somit ist das jeweilige Schulterarmteil gegenüber dem jeweiligen Fuß in der sich längs des Schulterarmteiles erstreckenden Achse manuell drehbar und manuell fixierbar. Entsprechend ist der jeweilige Schulterarmteil mit dem vom Schulterarmteil getragenen Oberarmteil bis hin zum getragenen Handwurzelarmteil durch eine Drehung in dieser Achse manuell justierbar und es ist kein automatischer Antrieb für diese Drehung erforderlich. Bevorzugt weisen die Roboterarme keinen für diese Drehung ausgebildeten automatischen Antrieb auf. Das erste jeweilige Feststellelement ist bevorzugt dazu ausgebildet, die beschriebene Drehung stufenlos oder in Stufen zu fixieren. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor zur Messung der Drehposition des Schulterarmteiles gegenüber dem Fuß in der beschriebenen Achse auf.
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Der jeweilige Oberarmteil weist eine freie Drehbarkeit gegenüber dem Schulterarmteil in einer sich längs des Oberarmteiles erstreckenden Achse auf. Diese freie Drehbarkeit ist jeweils mit einem zweiten Feststellelement fixierbar. Somit ist der jeweiligen Oberarmteil gegenüber dem Schulterarmteil in der sich längs des Oberarmteiles erstreckenden Achse manuell drehbar und manuell fixierbar. Entsprechend ist der Oberarmteil mit dem vom Oberarmteil getragenen Unterarmteil bis hin zum getragenen Handwurzelarmteil durch eine Drehung in dieser Achse manuell justierbar und es ist kein automatischer Antrieb für diese Drehung erforderlich. Bevorzugt weisen die Roboterarme keinen für diese Drehung ausgebildeten automatischen Antrieb auf. Das jeweilige zweite Feststellelement ist bevorzugt dazu ausgebildet, die beschriebene Drehung stufenlos oder in Stufen zu fixieren. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor zur Messung der Drehposition des jeweiligen Oberarmteiles gegenüber dem jeweiligen Schulterarmteil in der beschriebenen Achse auf.
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Ein besonderer Vorteil der zweiten Ausführungsform der Roboterarme besteht darin, dass für zwei der Freiheitsgrade kein automatischer Antrieb erforderlich ist. Die Linearaktuatoren, die Drehbarkeit des jeweiligen Fußes und die Freiheitsgrade des jeweiligen Handwurzelarmteiles ermöglichen bereits eine freie Bewegung des jeweiligen Handwurzelarmteiles im Raum. Da die Roboterarme aufgrund ihrer rohrförmigen tragenden Grundkörper ohne zusätzliche tragende Elemente sehr leicht ausgeführt werden können, können die beschriebene Drehung des Schulterarmteiles gegenüber dem Fuß und die beschriebene Drehung des Oberarmteiles gegenüber dem Schulterarmteil bei Bedarf manuell ausgeführt werden, um den jeweiligen Roboterarm in eine für die Ausführung der Bewegungsaufgabe optimale Ausgangsposition zu bringen, aus welcher er alle gewünschten Bewegungen ausführen bzw. Positionen einnehmen kann.
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Der Fuß, das erste Gelenk, das zweite Gelenk und/oder das dritte Gelenk sind bei den Roboterarmen jeweils bevorzugt hohl ausgebildet. Somit erstreckt sich bei den Roboterarmen jeweils bevorzugt ein Hohlraum durch das Innere des hohlen Fußes, des rohrförmigen Grundkörpers des Schulterarmteiles, des hohlen ersten Gelenkes, des rohrförmigen Grundkörpers des Oberarmteiles, des hohlen zweiten Gelenkes, des rohrförmigen Grundkörpers des Unterarmteiles und ggf. des hohlen dritten Gelenkes. Der Hohlraum ist bevorzugt staubdicht, wasserdicht, spritzwasserdicht und/oder luftdicht abgedichtet. Der Hohlraum ist bevorzugt mit einem Schutzgas gefüllt.
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Die Roboterarme sind jeweils gemäß dem Exoskelettprinzip ausgebildet. Das Exoskelett wird durch die rohrförmigen Grundkörper des jeweiligen Schulterarmteiles, des jeweiligen Oberarmteiles und des jeweiligen Unterarmteiles sowie ggf. auch durch das jeweilige hohle erste Gelenk, das jeweilige hohle zweite Gelenk und/oder das jeweilige hohle dritte Gelenk gebildet.
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Die Drehbarkeit des drehbaren Fußes ist bei den Roboterarmen bevorzugt jeweils in einer vertikalen Achse gegeben. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen ersten Drehantrieb zum Drehen des Fußes in dieser Achse auf. Der erste Drehantrieb dient bevorzugt zum Drehen des jeweiligen Fußes gegenüber einer Grundplatte. Der Fuß umfasst bevorzugt einen Drehlagensensor und/oder einen Momentensensor, um die Drehung messen zu können. Der jeweilige erste Drehantrieb ist bevorzugt durch einen Elektromotor oder durch einen pneumatischen oder hydraulischen Motor gebildet. Der jeweilige erste Drehantrieb ist bevorzugt durch eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Ritzel und einem Zahnkranz mit Innenverzahnung gebildet.
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Der jeweilige Unterarmteil ist bevorzugt in einer sich längs des Unterarmteiles erstreckenden Achse gegenüber dem jeweiligen Oberarmteil drehbar. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen absoluten Drehlagensensor zur Messung der Drehposition des jeweiligen Unterarmteiles gegenüber dem jeweiligen Oberarmteil in der beschriebenen Achse auf. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen zweiten Drehantrieb zum Drehen des jeweiligen Unterarmteiles gegenüber dem jeweiligen Oberarmteil in der sich längs des Unterarmteiles erstreckenden Achse auf. Der jeweilige zweite Drehantrieb ist bevorzugt durch einen Elektromotor oder durch einen pneumatischen oder hydraulischen Motor gebildet. Der jeweilige zweite Drehantrieb ist bevorzugt durch eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Ritzel und einem Zahnkranz mit Innenverzahnung gebildet. Der Zahnkranz ist bevorzugt auf einer Innenfläche des rohrförmigen Grundkörpers des Unterarmteiles oder des Oberarmteiles ausgebildet.
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Der Handwurzelarmteil ist bei den Roboterarmen bevorzugt jeweils in einer sich längs des jeweiligen Handwurzelarmteiles erstreckenden Achse gegenüber dem jeweiligen Unterarmteil drehbar. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen dritten Drehantrieb zum Drehen des jeweiligen Handwurzelarmteiles gegenüber dem jeweiligen Unterarmteil in der sich längs des Handwurzelarmteiles erstreckenden Achse auf. Der jeweilige dritte Drehantrieb ist bevorzugt dazu ausgebildet, den jeweiligen Handwurzelarmteil um mehr als eine Umdrehung gegenüber dem jeweiligen Unterarmteil zu drehen. Der jeweilige dritte Drehantrieb ist bevorzugt durch einen Elektromotor oder durch einen pneumatischen oder hydraulischen Motor gebildet. Der jeweilige dritte Drehantrieb ist bevorzugt durch eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Ritzel und einem Zahnkranz mit Innenverzahnung gebildet. Der Zahnkranz ist bevorzugt auf einer Innenfläche des rohrförmigen Grundkörpers des jeweiligen Handwurzelarmteiles oder des jeweiligen Unterarmteiles ausgebildet.
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Der Greifer ist bei den Roboterarmen bevorzugt jeweils in einer sich längs des jeweiligen Greifers erstreckenden Achse gegenüber dem jeweiligen Handwurzelarmteil drehbar. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils einen vierten Drehantrieb zum Drehen des jeweiligen Greifers gegenüber dem jeweiligen Handwurzelarmteil in der sich längs des Greifers erstreckenden Achse auf. Der jeweilige vierte Drehantrieb ist bevorzugt dazu ausgebildet, den jeweiligen Greifer um mehr als eine Umdrehung gegenüber dem jeweiligen Handwurzelarmteil zu drehen. Der jeweilige vierte Drehantrieb ist bevorzugt durch einen Elektromotor oder durch einen pneumatischen oder hydraulischen Motor gebildet. Der jeweilige vierte Drehantrieb ist bevorzugt durch eine Kombination aus einem Elektromotor, einem Ritzel und einem Zahnkranz mit Innenverzahnung gebildet.
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Der Greifer umfasst bei den Roboterarmen bevorzugt jeweils mindestens zwei Greiferfinger, die jeweils mit einem Greiferfingerantrieb aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden können, sodass Objekte mit dem jeweiligen Greifer gegriffen werden können. Der jeweilige Greifer umfasst bevorzugt einen mechanischen Fixierungsmechanismus zum Fixieren bzw. Verriegeln der Greiferfinger.
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Die Greifer sind bevorzugt jeweils austauschbar, um verschiedene angepasste Greifer verwenden zu können. Die Roboterarme weisen bevorzugt jeweils eine kontaktlose elektrische Schnittstelle zum elektrischen Anschluss des jeweiligen Greifers auf. Die kontaktlosen elektrischen Schnittstellen sind jeweils zur Übertragung von elektrischer Energie und Daten ausgebildet.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils eine Kamera zur optischen Erfassung von zu handhabenden bzw. zu manipulierenden Objekten. Die jeweilige Kamera ist bevorzugt an dem jeweiligen Handwurzelarmteil befestigt. Die jeweilige Kamera umfasst bevorzugt ein Mikrofon zur Erfassung akustischer Ereignisse im Bereich der zu handhabenden bzw. zu manipulierenden Objekte.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung von zu handhabenden bzw. zu manipulierenden Objekten. Die jeweilige Beleuchtungseinheit ist bevorzugt an dem Handwurzelarmteil befestigt. Die jeweilige Beleuchtungseinheit ist bevorzugt durch einen LED-Scheinwerfer gebildet.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils Kraftsensoren am jeweiligen Handwurzelarmteil. Die Kraftsensoren sind bevorzugt umfänglich um den jeweiligen Handwurzelarmteil angeordnet, sodass sie diesen axial umhüllen. Die Kraftsensoren dienen zur Messung einer von außen auf den Handwurzelarmteil wirkenden Druckkraft, sodass beispielsweise haptische Funktionen realisiert werden können. Die Kraftsensoren sind bevorzugt segmentiert.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils eine inertiale Messeinheit, welche bevorzugt im jeweiligen Handwurzelarmteil angeordnet ist. Die inertiale Messeinheit umfasst bevorzugt drei Beschleunigungssensoren, mit denen die Beschleunigungen in die drei Raumrichtungen gemessen werden können. Die inertiale Messeinheit umfasst bevorzugt drei Gyrosensoren, mit denen die Drehbewegungen um die drei Raumrichtungen gemessen werden können.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils ein Koppelelement zum Ankoppeln des jeweils anderen Roboterarmes. Die Koppelelemente sind bevorzugt jeweils am jeweiligen Handwurzelarmteil befestigt. Die Koppelelemente sind bevorzugt elektromechanisch ausgebildet.
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Die Roboterarme umfassen bevorzugt jeweils einen Gas- und/oder Fluidanschluss. Der jeweilige Gas- und/oder Fluidanschluss mündet bevorzugt in den jeweiligen durch die rohrförmigen Grundkörper und durch die Gelenke gebildeten Hohlraum. Der jeweilige Gas- und/oder Fluidanschluss ist bevorzugt zur Durchleitung von Druckluft, Schutzgas und/oder Wasser ausgebildet. Insbesondere dient ein erster mit Druckluft oder Fluid versorgter Leitungsanschluss zur Aktuierung des jeweiligen Greifers oder eines mechanischen Koppelmechanismus (durchdrehbare Verbindung zwischen Greiferaufnahme und Handwurzel), wobei dieser erste Leitungsanschluss auch zur Durchleitung von Gas (Luft) oder Fluid z. B. zur Reinigung von Objekten verwendet werden kann. Über den ersten Leitungsanschluss kann auch ein Vakuum angeschlossen werden, um z. B. einen Sauggreifer zu betreiben. Über einen optionalen zweiten Leitungsanschluss, der in der jeweiligen Handwurzel endet, kann ein Schutzgas oder Luft zum Spülen des Innenraumes des Roboterarms oder zur Erzeugung eines Überdrucks im jeweiligen Roboterarm verwendet werden.
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Die zweite bevorzugte Ausführungsform der Roboterarme weist bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der ersten bevorzugten Ausführungsform der Roboterarme beschrieben sind. Entsprechend sind der jeweilige erste und zweite Armteil der ersten bevorzugten Ausführungsform durch den jeweiligen Schulter- und Oberarmteil bzw. durch den jeweiligen Ober- und Unterarmteil bzw. durch den jeweiligen Unter- und Handwurzelarmteil der zweiten bevorzugten Ausführungsform gebildet.
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Die Roboterarmsteuerungselektronik ist bevorzugt dazu ausgebildet, definierte Bewegungen der Armteile zu veranlassen und mithilfe der Sensoren die Bewegung des jeweiligen Roboterarmes bei möglichen Kollisionen in einen vordefinierten Bewegungszustand zu überführen. Der vordefinierte Bewegungszustand ist bevorzugt durch einen Bewegungsstopp gebildet.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1: einen Roboterarm einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Roboteranordnung in einer Schnittdarstellung;
- 2: eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Roboteranordnung; und
- 3: eine Detailansicht der in 2 gezeigten Roboteranordnung.
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1 zeigt einen Roboterarm einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Roboteranordnung in einer Schnittdarstellung. Der Roboterarm umfasst einen Fuß 01, welcher drehbar auf einer Grundplatte 02 gelagert ist. Der Fuß 01 kann mithilfe eines ersten Drehantriebes 03 gegenüber der Grundplatte 02 um eine vertikale Achse gedreht werden. Der erste Drehantrieb 03 umfasst einen Elektromotor 04, ein Ritzel 06 und einen Zahnkranz 07.
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Der Fuß 01 trägt einen Schulterarmteil 08, welcher im Wesentlichen durch einen rohrförmigen Grundkörper 09 gebildet ist. Der Schulterarmteil 08 trägt über ein erstes Gelenk 11 einen Oberarmteil 12, welcher ebenso im Wesentlichen durch einen rohrförmigen Grundkörper 13 gebildet ist. Das erste Gelenk 11 umfasst eine Manschette 14 und zwei scheibenförmige rotative Lager 16. Die Manschette 14 und die scheibenförmigen rotativen Lager 16 umschließen einen Hohlraum, sodass das erste Gelenk 11 hohl ausgebildet ist.
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In einem Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 09 des Schulterarmteiles 08 ist ein erster Linearaktuator 17 angeordnet, der dazu dient, den Oberarmteil 12 gegenüber dem Schulterarmteil 08 über das erste Gelenk 11 zu verschwenken. Ein erstes Ende 18 des ersten Linearaktuators 17 ist in einem ersten Schwenklager 19 gelagert, welches fest im rohrförmigen Grundkörper 09 des Schulterarmteiles 08 sitzt. Ein zweites Ende 20 des ersten Linearaktuators 17 ist in einem ersten Hebel 21 gelagert, welcher als Verlängerung des Oberarmteiles 12 fest mit dem rohrförmigen Grundkörper 13 des Oberarmteiles 12 verbunden ist und innerhalb der Manschette 14 des ersten Gelenkes 11 angeordnet ist. Die rotativen Lager 16 umfassen jeweils einen Innenring 22 und einen Außenring 23, die entsprechend jeweils mit dem rohrförmigen Grundkörper 09 des Schulterarmteiles 08 bzw. dem rohrförmigen Grundkörper 13 des Oberarmteiles 12 fest verbunden sind.
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Der Oberarmteil 12 trägt über ein zweites Gelenk 24 einen Unterarmteil 26, welcher ebenso im Wesentlichen durch einen rohrförmigen Grundkörper 27 gebildet ist. Das zweite Gelenk 24 umfasst eine Manschette 28 und zwei scheibenförmige rotative Lager 29. Die Manschette 28 und die scheibenförmigen rotativen Lager 29 umschließen einen Hohlraum, sodass das zweite Gelenk 24 hohl ausgebildet ist.
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In einem Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 13 des Oberarmteiles 12 ist ein zweiter Linearaktuator 31 angeordnet, der dazu dient, den Unterarmteil 26 gegenüber dem Oberarmteil 12 über das zweite Gelenk 24 zu verschwenken. Ein erstes Ende 32 des zweiten Linearaktuators 31 ist in einem zweiten Schwenklager 33 gelagert, welches fest im rohrförmigen Grundkörper 13 des Oberarmteiles 12 sitzt. Ein zweites Ende 34 des zweiten Linearaktuators 31 ist in einem zweiten Hebel 36 gelagert, welcher als Verlängerung des Unterarmteiles 26 fest mit dem rohrförmigen Grundkörper 27 des Unterarmteiles 26 verbunden ist und innerhalb der Manschette 28 des zweiten Gelenkes 24 angeordnet ist. Die rotativen Lager 29 des zweiten Gelenkes 24 umfassen jeweils einen Innenring 37 und einen Außenring 38, die entsprechend jeweils mit dem rohrförmigen Grundkörper 13 des Oberarmteiles 12 bzw. dem rohrförmigen Grundkörper 27 des Unterarmteiles 26 fest verbunden sind.
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In einem Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 27 des Unterarmteiles 26 ist ein zweiter Drehantrieb 39 angeordnet, mit welchem der Unterarmteil 26 in einer längs zum Unterarmteil 26 verlaufenden Achse gegenüber dem Oberarmteil 12 verdreht werden kann. Der zweite Drehantrieb 39 umfasst einen Elektromotor 41, ein Ritzel 42 und einen Zahnkranz 43.
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Der Unterarmteil 26 trägt über ein drittes Gelenk 44 einen Handwurzelarmteil 46, welcher ebenso im Wesentlichen durch einen rohrförmigen Grundkörper 47 gebildet ist. Das dritte Gelenk 44 umfasst zwei scheibenförmige rotative Lager 48.
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In einem Inneren des rohrförmigen Grundkörpers 27 des Unterarmteiles 26 ist ein dritter Linearaktuator 49 angeordnet, der dazu dient, den Handwurzelarmteil 46 gegenüber dem Unterarmteil 26 über das dritte Gelenk 44 zu verschwenken. Ein erstes Ende 51 des dritten Linearaktuators 49 ist in einem dritten Schwenklager 52 gelagert, welches fest im rohrförmigen Grundkörper 27 des Unterarmteiles 26 sitzt. Ein zweites Ende 53 des dritten Linearaktuators 49 ist mit einem Innenring 54 des scheibenförmigen rotativen Lagers 48 des dritten Gelenkes 44 verbunden. Der Innenring 54 ist fest mit dem Handwurzelarmteil 46 verbunden. Ein Außenring 56 des scheibenförmigen rotativen Lagers 48 des dritten Gelenkes 44 ist fest mit dem Unterarmteil 26 verbunden.
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Zwischen dem dritten Gelenk 44 und dem Handwurzelarmteil 46 ist ein dritter Drehantrieb 57 angeordnet, mit welchem der Handwurzelarmteil 46 in einer längs zum Handwurzelarmteil 46 verlaufenden Achse gegenüber dem Unterarmteil 26 verdreht werden kann, wobei diese Verdrehung hinsichtlich einer Anzahl der Umdrehungen nicht beschränkt ist. Der dritte Drehantrieb 57 umfasst einen Elektromotor 58, ein Ritzel 59 und einen Zahnkranz 61.
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Der Handwurzelarmteil 46 mündet in eine Greiferaufnahme 62.
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2 zeugt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Roboteranordnung in einer perspektivischen Darstellung. Die Roboteranordnung umfasst vier Roboterarme 71, 72, 73, 74, die bevorzugt wie der in 1 gezeigte Roboterarm ausgeführt sind. Die vier Roboterarme 71, 72, 73, 74 sind an einer Plattform 76 befestigt, wobei ein erstes Paar der Roboterarme 71, 72 über einen verstellbaren Roboterarmträger 77 an der Plattform 76 befestigt ist, während ein zweites Paar der Roboterarme 73, 74 unmittelbar an der Plattform 76 befestigt ist. An dem Roboterarmträger 77 ist weiterhin ein Magazin 78 befestigt, welches zum Transport, zur Bevorratung und zur Ablage von Werkzeuge, Sonden, Sensoren, Proben und anderen Objekten (nicht gezeigt) dient. An dem Roboterarmträger 77 ist weiterhin eine Kamera 79 befestigt, welche eine Inspektion von Objekten und/oder eine Beobachtung der Aktionen der Roboterarme 71, 72, 73, 74 ermöglicht. Die Plattform 76 ist an einem Auftriebskörper in Form eines Ballons 81 befestigt, welcher mit Helium gefüllt ist. Der Ballon 81 ist einschließlich der Plattform 76, der Roboterarme 71, 72, 73, 74, des Magazins 78 und der Kamera 79 leichter als Luft.
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Die Roboterarme 71, 72, 73, 74 umfassen wie bereits in 1 gezeigt jeweils den Fuß 01, den Schulterarmteil 08, den Oberarmteil 12, den Unterarmteil 26 und den Handwurzelarmteil 46. An den Handwurzelarmteilen 46 ist jeweils über die Greiferaufnahme 62 (gezeigt in 1) ein austauschbarer Greifer 82 oder ein austauschbares Werkzeug 83 angebracht.
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3 zeigt eine Detailansicht der in 2 gezeigten Roboteranordnung. Es sind insbesondere die Plattform 76 und das erste Paar der Roboterarme 71, 72 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Fuß
- 02
- Grundplatte
- 03
- erster Drehantrieb
- 04
- Elektromotor
- 05
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- 06
- Ritzel
- 07
- Zahnkranz
- 08
- Schulterarmteil
- 09
- rohrförmiger Grundkörper
- 10
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- 11
- erstes Gelenk
- 12
- Oberarmteil
- 13
- rohrförmiger Grundkörper
- 14
- Manschette
- 15
- -
- 16
- scheibenförmiges Lager
- 17
- erster Linearaktuator
- 18
- erstes Ende
- 19
- erstes Schwenklager
- 20
- zweites Ende
- 21
- erster Hebel
- 22
- Innenring
- 23
- Außenring
- 24
- zweites Gelenk
- 25
- -
- 26
- Unterarmteil
- 27
- rohrförmiger Grundkörper
- 28
- Manschette
- 29
- scheibenförmiges Lager
- 30
- -
- 31
- zweiter Linearaktuator
- 32
- erstes Ende
- 33
- zweites Schwenklager
- 34
- zweites Ende
- 35
- -
- 36
- zweiter Hebel
- 37
- Innenring
- 38
- Außenring
- 39
- zweiter Drehantrieb
- 40
- -
- 41
- Elektromotor
- 42
- Ritzel
- 43
- Zahnkranz
- 44
- drittes Gelenk
- 45
- -
- 46
- Handwurzelarmteil
- 47
- rohrförmiger Grundkörper
- 48
- scheibenförmiges Lager
- 49
- dritter Linearaktuator
- 50
- -
- 51
- erstes Ende
- 52
- drittes Schwenklager
- 53
- zweites Ende
- 54
- Innenring
- 55
- -
- 56
- Außenring
- 57
- dritter Drehantrieb
- 58
- Elektromotor
- 59
- Ritzel
- 60
- -
- 61
- Zahnkranz
- 62
- Greiferaufnahme
- 63
- -
- 64
- -
- 65
- -
- 66
- -
- 67
- -
- 68
- -
- 69
- -
- 70
- -
- 71
- Roboterarm
- 72
- Roboterarm
- 73
- Roboterarm
- 74
- Roboterarm
- 75
- -
- 76
- Plattform
- 77
- Roboterarmträger
- 78
- Magazin
- 79
- Kamera
- 80
- -
- 81
- Ballon
- 82
- Greifer
- 83
- Werkzeug
