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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Objekten mittels eines Roboters mit einem Manipulatorarm, der mehrere aufeinander folgende Glieder aufweist, die durch verstellbare Gelenke verbunden sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine zugehörige Roboteranordnung.
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Aus dem Stand der Technik sind Roboter bekannt, die als Endeffektor ein Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks oder zum Fügen zweier Werkstücke tragen. Insbesondere bei spanabhebender Bearbeitung des Werkstücks bzw. beim Nieten oder Schrauben, wirken Reaktionskräfte auf den Endeffektor, so dass der den Endeffektor tragende Roboter entsprechend stabil und verwindungssteif ausgelegt sein muss, um eine vorgegebene Bearbeitungsqualität zu erreichen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und einen Roboter zum Bearbeiten von Werkstücken und eine dazu eingerichtete Roboteranordnung zu schaffen, wodurch die Leistungsfähigkeit in der Bearbeitung von Werkstücken mittels der Roboter verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Roboteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Handhaben bzw. Bearbeiten von Objekten bzw. Werkstücken mittels eines Roboters, insbesondere eines Industrieroboters, mit einem Manipulatorarm, der mehrere aufeinander folgende Glieder aufweist, die durch verstellbare Gelenke verbunden sind, die von wenigstens einer Steuervorrichtung angesteuert verstellbar sind, wobei zumindest eines der Glieder einen Stützbereich aufweist, der ausgelegt ist mit einem komplementären Stützbereich einer Stütze mechanisch gekoppelt zu werden und wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines Werkzeugs an einem Endeffektor;
- - Verfahren des Roboters in eine erste Position, bei welcher der Stützbereich mit dem komplementären Stützbereich gekoppelt ist;
- - Bearbeiten des Objektes mittels des Werkzeugs, wobei zumindest ein Teil einer von dem Objekt auf das Werkzeug wirkenden Reaktionskraft in die Stütze eingeleitet wird.
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Ein Manipulatorarm mit einer zugehörigen Robotersteuerung, insbesondere Industrieroboter mit solchen Manipulatorarmen, sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind. (Industrie-)Roboter weisen üblicherweise einen Manipulatorarm mit mehreren über Gelenke verbundene Glieder und eine programmierbare Robotersteuerung (Steuervorrichtung) auf, die während des Betriebs die Bewegungsabläufe des Manipulatorarms automatisch steuern bzw. regeln. Die Glieder werden über Antriebe, insbesondere elektrische Antriebe, die von der Robotersteuerung angesteuert werden, insbesondere bezüglich der Bewegungsachsen des Industrieroboters, welche die Bewegungsfreiheitsgrade der Gelenke repräsentieren, bewegt, d.h. durch Verstellen der Gelenke mittels der elektrischen Antriebe werden die Glieder bewegt.
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Ein mehrere über Gelenke verbundene Glieder aufweisende Manipulatorarm kann als ein Knickarmroboter mit mehreren seriell nacheinander angeordneten Gliedern und Gelenken konfiguriert sein, insbesondere kann der Manipulatorarm als ein Fünfachs-Knickarmroboter, Sechsachs-Knickarmroboter oder Siebenachs-Knickarmroboter ausgebildet sein. Bevorzugt weist ein Industrieroboter eine Traglast von mehr als etwa 10kg, weiter bevorzugt von mehr als etwa 16kg, besonders bevorzugt von mehr als etwa 30 kg und insbesondere von mehr als etwa 80kg auf. Industrieroboter sind zweckmäßigerweise gegen äußere Einflüsse im gewerblichen Umfeld ausreichend geschützt, beispielsweise gegen Staub, Späne, Flüssigkeiten, Spritzer und/oder mechanische Einflüsse und sind zweckmäßigerweise auch für den Dauerbetrieb ausgelegt und robust, insbesondere mit Gliedern aus Metall ausgebildet.
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Manipulatorarme mit zugehörigen Robotersteuerungen, wie Industrieroboter können aber insbesondere auch sogenannte Leichtbauroboter sein, die sich zunächst von üblichen Industrierobotern dadurch unterscheiden, dass sie eine für die Mensch-Maschine-Kooperation günstige Baugröße aufweisen und dabei eine zu ihrem Eigengewicht relativ hohe Tragfähigkeit aufweisen. Daneben können Leichtbauroboter insbesondere kraftgeregelt statt positionsgeregelt betrieben werden, was beispielsweise ein manuelles Verstellen der Pose des Manipulatorarms vereinfacht. Außerdem kann dadurch eine sichere Mensch-Maschine-Kooperation erreicht werden, da beispielsweise unbeabsichtigte Kollisionen des Manipulatorarms mit Personen entweder verhindert oder zumindest derart abgeschwächt werden können, so dass den Personen kein Schaden entsteht. Ein solcher Manipulatorarm bzw. ein solcher Leichtbauroboter kann mehr als sechs Freiheitsgrade aufweisen, so dass insoweit ein überbestimmtes System geschaffen wird, wodurch derselbe Punkt im Raum in gleicher Orientierung in mehreren verschiedenen Posen des Manipulatorarms erreicht werden kann. Der Leichtbauroboter kann auf externe Krafteinwirkungen in geeigneten Weisen reagieren. Zur Kraftmessung können Kraftsensoren verwendet werden, die in allen drei Raumrichtungen Kräfte und Drehmomente messen können. Alternativ oder ergänzend können die externen Kräfte auch sensorlos, beispielsweise anhand der gemessenen Motorströme der Antriebe an den Gelenken des Leichtbauroboters abgeschätzt werden. Als Regelungskonzepte kann beispielsweise eine indirekte Kraftregelung durch Modellierung des Leichtbauroboters als mechanischer Widerstand (Impedanz) oder eine direkte Kraftregelung verwendet werden.
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Die von den Industrierobotern zu handhabenden Objekte können beispielsweise Werkstücke sein, die anzuheben, zu halten, zu bewegen und/oder in sonstiger Weise manipuliert werden sollen. Darüber hinaus können die zu handhabenden Objekte aber auch Werkzeuge sein, welche von dem Industrieroboter geführt werden sollen, beispielsweise um ein separates Werkstück mit diesem Werkzeug zu bearbeiten, eine Montage vorzunehmen, und/oder auf das Werkstück in einer anderen Art und Weise einzuwirken. Bevorzugt kann das Werkstück derart gehandhabt werden, dass eine Bearbeitung durch ein separates Werkzeug erfolgen kann. Beispielsweise kann das Werkstück relativ zu einem Bohrer bzw. Fräser gehalten und bewegt werden, so dass ein Bohrloch bzw. eine gefräste Nut, Fase, etc. ausgebildet wird.
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Das Endglied eines Manipulatorarms kann generell einen so genannten Handflansch bilden, an dem beispielsweise ein Greifer befestigt sein kann, der zum Halten des Objekts ausgebildet ist. Beispielsweise im Falle eines Werkzeugs als ein zu handhabendes Objekt kann das Werkzeug unmittelbar, ggf. mittels einer Befestigungsvorrichtung an dem Handflansch befestigt sein oder alternativ kann das Werkzeug mittels eines Greifers gehalten sein, der an dem Handflansch befestigt ist.
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Eines der Glieder weist zumindest einen Stützbereich auf. Bevorzugt kann der Stützbereich an dem Endglied ausgebildet sein, da in diesem Fall eine auf den Handflansch wirkende Kraft unmittelbar über den Stützbereich auf eine damit gekoppelte komplementäre Stütze abgeleitet werden kann. Alternativ oder zusätzlich können aber auch andere Glieder einen Stützbereich aufweisen. Vorteilhafterweise kann durch eine Stützung an einem der mittleren Glieder erreicht werden, dass zwischen Stützbereich und Handflansch ein, zwei, drei, vier oder mehr Achsen eine Verlagerung bzw. Umorientierung des Handflansches und damit des Endeffektors relativ zum Stützbereich bzw. komplementären Stützbereich bzw. Stütze erfolgen kann. Beispielsweise kann so ein Werkzeug in eingeschränktem Umfang geführt werden.
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Die Stütze kann mit einer Roboterbasis oder mit dem Boden mittelbar oder unmittelbar verbunden sein und ist bevorzugt ortsfest. Die Stütze ist zweckmäßigerweise steif ausgebildet, so dass die über den komplementären Stützbereich eingeleiteten Kräfte in den Boden bzw. die Roboterbasis abgeleitet werden können, insbesondere ohne die Stütze plastisch zu verformen. Der komplementäre Stützbereich der Stütze kann insbesondere formkongruent zum Stützbereich sein, so dass die Kraftübertragung zwischen Roboter und Stütze über den Formschluss erfolgen kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass statt des Formschlusses ein Reibschluss bzw. Kraftschluss zwischen komplementäre Stützbereich und Stützbereich, wobei zweckmäßigerweise komplementärer Stützbereich und/oder Stützbereich als Bereiche mit erhöhter Haftreibung/Gleitreibung ausgebildet sein können, beispielsweise durch eine Ausbildung aus bzw. einer Beschichtung mit einem Polymer oder einem Elastomer und/oder durch eine rauhe Oberfläche.
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Vorzugsweise weist der Stützbereich eine Kopplungsvorrichtung auf bzw. ist als Kopplungsvorrichtung ausgebildet, welche im gekoppelten Zustand mit einer komplementären Kopplungsvorrichtung der Stütze bzw. dem als komplementäre Kopplungsvorrichtung ausgebildeten komplementären Stützbereich gekoppelt ist. Das Koppeln entspricht einer lösbaren Verbindung der Stütze mit dem Manipulatorarm, wobei der Manipulatorarm eine Kopplungsvorrichtung und die Stütze eine komplementäre Kopplungsvorrichtung aufweist, welche bevorzugt eine starre Verbindung zwischen Manipulatorarm und Stütze ermöglichen. Beispielsweise können Kopplungsvorrichtung und komplementäre Kopplungsvorrichtung als ein Paar von Stift und zugeordnete Stiftaufnahme ausgebildet sein.
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Vorzugsweise kann das Koppeln auch ein Eingreifen und/oder ein Verriegeln umfassen. Insbesondere können die Kopplungsvorrichtung und/oder die komplementäre Kopplungsvorrichtung eine Verriegelungseinrichtung aufweisen, die beide Vorrichtungen miteinander verriegelt, wenn der Roboter sich in der ersten Position befindet. Die Verriegelungseinrichtung kann beispielsweise eine beweglichen Bolzen aufweisen. Zum Übergang von der ersten in eine zweite Position, bei dem der Manipulatorarm nicht durch die Stütze gestützt wird, kann die Verriegelungseinrichtung entriegelt werden, beispielsweise durch eine von der Robotersteuerung steuerbare Betätigungseinrichtung oder durch Anlegen einer Kraft entlang einer Entriegelungsrichtung, die einen vorbestimmten Kraftwert übersteigt. In einer Ausführung kann die Kopplungsvorrichtung und die komplementäre Kopplungsvorrichtung aus einer Paarung von einem die Kopplungsvorrichtung bildenden Bolzen und einer die komplementäre Kopplungsvorrichtung bildenden Verriegelung sein.
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Grundsätzlich können die (komplementären) Kopplungsvorrichtungen beispielsweise mechanisch, elektromechanisch, elektrisch, magnetisch, pneumatisch und/oder hydraulisch koppelbar bzw. verriegelbar sein. Die Kopplung kann also generell lösbar ausgebildet sein. Insbesondere kann die (komplementäre) Kopplungsvorrichtung bzw. Verriegelungseinrichtung angesteuert, insbesondere durch die Robotersteuerung angesteuert lösbar und verriegelbar ausgebildet sein. Dadurch kann ein Ankoppeln eines Gliedes des Manipulatorarms an der Stütze durch ein Roboterprogrammgesteuert automatisiert erfolgen. Alternativ kann jedoch ein Ankoppeln gegebenenfalls auch manuell erfolgen. In beiden Fällen kann ein Ankoppeln der jeweiligen Glieder der Manipulatorarm durch Sensoren automatisch erkannt werden, so dass die Robotersteuerung automatisch erkennen kann, welche der Glieder der Manipulatorarme momentan angekoppelt sind und welche nicht angekoppelt sind. In Folge kann die Robotersteuerung die kinematische Kopplung entsprechend einrichten und den Manipulatorarm bzw. die Manipulatorarme entsprechend ansteuern.
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Vorzugsweise weist das Verfahren den weiteren Schritt auf:
- Ansteuern der Gelenke des Manipulatorarms mittels der Steuervorrichtung auf Grundlage von Messwerten über die Stellungen der Gelenke des Manipulatorarms.
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Im Allgemeinen wird ein Manipulatorarm derart angesteuert, dass seine gewünschte einzunehmende Pose (Positionen und Orientierungen) dadurch eingestellt wird, dass alle Gelenke in ihre jeweils vorbestimmten Stellungen gebracht werden. Dies erfolgt, indem die Steuervorrichtung beispielsweise auf Grundlage eines Roboterprogramms oder der Eingaben auf einem Programmierhandgerät die Antriebe des Manipulatorarms entsprechend ansteuert, um die Gelenke zu verstellen. Damit die gewünschten Soll-Stellungen der Gelenke eingestellt werden können, sind im Allgemeinen Sensoren an den Gelenken angeordnet, welche die momentanen Ist-Stellungen der Gelenke messen. Die von den Sensoren gelieferten Werte der Ist-Stellungen können nicht beliebig genau sein, insbesondere können die Werte der Ist-Stellungen auch fehlerbehaftet sein, so dass die gewünschte einzunehmende Pose nur mit einer gewissen Toleranz genau angefahren werden können. Indem nun verfahrensgemäß ein Ansteuern der Gelenke des Manipulatorarms mittels der wenigstens einen Steuervorrichtung auf Grundlage von Messwerten über die Stellungen der Gelenke sowohl des Manipulatorarms als auch unter Berücksichtigung der bekannten ersten Pose (die Stütze ist im Raum bekannt und fix) erfolgt, kann die Positioniergenauigkeit des Manipulatorarms verbessert werden. Dies erfolgt bevorzugt dadurch, dass die Antriebe des Manipulatorarms von der Robotersteuerung nicht nur auf Basis der von den Sensoren dieses einen Manipulatorarms gelieferten Werte der Ist-Stellungen angesteuert werden, sondern indem zusätzlich auch die Werte der bekannten ersten Position berücksichtigt werden.
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Ein Aspekt betrifft eine Roboteranordnung zum Bearbeiten von Objekten aufweisend:
- - einen Roboter mit einem Manipulatorarm, der einen Endeffektor und mehrere aufeinander folgende Glied aufweist, die durch verstellbare Gelenke verbunden sind, die von wenigstens einer Steuervorrichtung angesteuert verstellbar sind, wobei zumindest eines der Glieder einen Stützbereich aufweist,
- - eine Stütze mit einem komplementären Stützbereich,
- - ein Werkzeug, welches am Endeffektor angeordnet ist,
wobei der Stützbereich mit dem komplementären Stützbereich mechanisch koppelbar ist.
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Eine beispielhafte Ausführungsform wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften robotischen Arbeitsplatzes mit einem Manipulatorarm;
- 2 eine weitere perspektivische Ansicht des robotischen Arbeitsplatzes.
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Die 1 zeigt einen beispielhaften robotischen Arbeitsplatz mit einem Manipulatorarm 1 eines Industrieroboters. Der Industrieroboter ist als ein so genannter Leichtbauroboter des Typs KUKA LBR ausgeführt, der einen Manipulatorarm 1 und eine zugeordnete Robotersteuerung 2 aufweist. Der Manipulatorarm 1 umfasst in dieser Ausführungsform mehrere, nacheinander angeordnete und mittels sieben Gelenke 4a drehbar miteinander verbundene Glieder 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12, einschließlich der Roboterbasis 5 und dem Endglied 12 bzw. Handflansch 12. Es versteht sich, dass auch andere Robotertypen vorgesehen sein können, wie z.B. solche mit sechsachsigen Man ipulatorarmen.
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Die Robotersteuerung 2 ist ausgebildet bzw. eingerichtet, ein Roboterprogramm auszuführen, durch welches die Gelenke 4a des Manipulatorarms 1 gemäß eines Roboterprogramms automatisiert oder in einem Handfahrbetrieb automatisch verstellt bzw. drehbewegt werden können. Dazu ist die Robotersteuerung 2 mit ansteuerbaren elektrischen Antrieben verbunden, die ausgebildet sind, die zugehörigen Gelenke 4 des Manipulatorarms 1 zu verstellen. Die Robotersteuerung 2 ist ferner ausgebildet und/oder eingerichtet, das Verfahren zum Handhaben bzw. Bearbeiten von Objekten 13 durchzuführen.
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Die 2 zeigt den Industrieroboter aus 1 in anderen Perspektive, wobei ein Werkzeug 18 am Endglied bzw. Handflansch 12 angeordnet ist, mit welchem das Werkstück 13 bearbeitet werden soll. Die 2 zeigt den Industrieroboter in einer zweiten Position, in welcher das Werkstück 13 nicht bearbeitet werden kann. Die Gelenke 4 werden durch die Steuervorrichtungen (siehe 1) angesteuert und derart verstellt, dass der Industrieroboter ein eine erste Position überführt wird, in welcher die Kopplungsvorrichtung 15 des Manipulatorarm 1 mit der komplementären Kopplungsvorrichtung 16a der Stütze 16 koppelt.
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In der ersten Position (nicht gezeigt) koppeln Manipulatorarm 1 und Stütze 16 derart, dass eine Untermenge von Gelenken 4b der Gelenke 4 des Manipulatorarms 1 beweglich bleibt, ohne dass die Kopplung aufgehoben wird. In diesem bevorzugten Fall verbleiben 3 Gelenke in der ersten Position frei beweglich, so dass das Werkzeug 18 relativ zu dem Werkstück 13 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Manipulatorarm 1 eine Prozesskraft über das Werkzeug 18 auf des Werkstück 13 aufbringen, wobei die dabei auftretende Reaktionskraft in die Stütze 16 abgeleitet wird. Somit treten die Reaktionskräfte in der zwischen Kopplungsvorrichtung 15 und Roboterbasis 20 angeordneten Gelenken 4 nicht auf. Dadurch wird die Präzision der Bearbeitung des Werkstückes erhöht, da mögliche Bewegungen des Manipulatorarms durch die Reaktionskräfte reduziert werden. Dadurch können insbesondere die Gelenke 4 und die zugehörigen Getriebe und Antriebe schwächer dimensioniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulatorarm
- 2
- Robotersteuerung
- 4, 4b
- Gelenk
- 5
- Glied, Roboterbasis
- 6
- Glied
- 7
- Glied
- 8
- Glied
- 9
- Glied
- 10
- Glied
- 11
- Glied
- 12
- Glied, Endglied, Handflansch
- 13
- Werkstück, Objekt
- 15
- Stützbereich Kopplungsvorrichtung
- 16
- Stütze
- 16a
- komplementärer Stützbereich, komplementäre Kopplungsvorrichtung
- 18
- Werkzeug
