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Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, insbesondere für MRK-Applikationen sowie einen Greifer aufweisend wenigstens ein Werkzeug.
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Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) können den Einsatz von potenziell für Menschen gefährlichen Werkzeugen erfordern, insbesondere der Einsatz von spitzen oder scharfkantigen Werkzeugen kann eine Gefahr für Menschen darstellen. Üblicherweise erfordert der Einsatz derartiger Werkzeuge Vorgehensweisen zum Schutz des Menschen. Diese Vorgehensweisen können die Reduktion der Geschwindigkeit, Vermeidung von stechender Werkzeugführung durch geeignete Bahnauswahl und/oder Bahnplanung, die physikalische Abdeckung der Werkzeuge mit geeigneten Schutzabdeckungen oder Absicherung mit Sensoren umfassen.
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Diese Vorgehensweisen können dazu führen, dass beispielsweise die Verringerung der Geschwindigkeit oder die alternative Bahnführung zu erhöhten Taktzeiten führt und die Entwicklungskosten und Nutzungskosten solcher MRK-Applikationen steigen. Weiterhin können die Kosten durch den Einsatz etwaiger Sensorik oder physikalischer Abdeckungen steigen, sowie die Erreichbarkeit des Werkzeuges verringert werden und die Störkontur erhöht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen, adaptiven Ansatz zur Veränderung der Gefährlichkeit eines robotergeführten Werkzeugs vorzusehen, welcher es erlaubt, auf die oben beschriebenen Sicherheitsmaßnahmen zu verzichten und/oder sie zumindest teilweise oder deutlich zu reduzieren. Das angestrebte Ziel wird durch gezielte Veränderungen der Form des Objektes erreicht, indem während der Transferbewegungen das Werkzeug eine die Gefährlichkeit des Werkzeugs vermindernde Form einnimmt und während der Ausführung des Prozesses eine für den Prozess notwendige Form einnimmt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Werkzeug für einen Roboter, aufweisend mehrere seriell in einer Kette nacheinander angeordnete Segmente und eine Stellvorrichtung, welche die mehreren Segmente miteinander verbindet und die ausgebildet ist, wahlweise einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand aufzuweisen, wobei die mehreren Segmente in dem ersten Zustand der Stellvorrichtung starr miteinander verbunden sind und in dem zweiten Zustand der Stellvorrichtung gegeneinander beweglich gelagert sind sowie einen Greifer für einen Roboter, aufweisend wenigstens zwei Greiferbacken, die jeweils als wenigstens ein erstes Werkzeug und ein zweites Werkzeug nach dem beschriebenen Werkzeug ausgebildet sind.
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Die Stellvorrichtung kann ein Seil aufweisen, an dem die mehreren Segmente aufgereiht angeordnet sind, wobei in dem ersten Zustand der Stellvorrichtung das Seil gespannt ist, derart, dass die auf dem Seil aufgereiht angeordneten mehreren Segmente aufgrund der Spannung des Seils gegeneinander gedrückt werden, um einen starren Verbund zu bilden, und wobei in dem zweiten Zustand der Stellvorrichtung das Seil lose ist, derart, dass die auf dem Seil aufgereiht angeordneten Segmente gegeneinander beweglich gehalten sind.
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Die Stellvorrichtung kann eine Hebelvorrichtung aufweisen, die zum Übertragen einer Zugkraft auf das Seil ausgebildet ist, derart, dass das Seil wahlweise durch ein Erhöhen der Zugkraft mittels der Hebelvorrichtung gespannt wird oder durch ein Verringern der Zugkraft mittels der Hebelvorrichtung entspannt wird.
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Die Stellvorrichtung kann einen elektrischen Motor aufweisen, der zum Übertragen einer Zugkraft auf das Seil ausgebildet ist, derart, dass das Seil wahlweise durch ein Erhöhen der Zugkraft des elektrischen Motors gespannt wird oder durch ein Verringern der Zugkraft des elektrischen Motors entspannt wird.
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Das Seil kann zumindest teilweise oder vollständig aus einem durch Wärmeeinwirkung längenveränderlichen Material hergestellt sein und das Seil kann dabei durch Erwärmen und/oder Abkühlen zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand hin und her transferiert werden.
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Die Stellvorrichtung kann eine Zustandserkennungseinrichtung aufweisen, insbesondere eine elektrisch oder pneumatisch wirkende Zustandserkennungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, zur elektrischen, elektromagnetischen oder pneumatischen Erfassung, ob die mehreren Segmente entweder in dem ersten Zustand oder in dem zweiten Zustand sind.
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Die Stellvorrichtung kann wenigstens einen elektrischen Magneten aufweisen, der ausgebildet ist, durch Anpassen des magnetischen Feldes des wenigstens einen elektrischen Magneten die mehreren Segmente entweder in den ersten Zustand zurückfallen zu lassen oder in den zweiten Zustand zurückfallen zu lassen, oder wahlweise in den ersten Zustand oder in den zweiten Zustand zu bringen.
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Die wenigstens zwei Segmente können wenigstens ein Federelement aufweisen, das derart angeordnet ist, dass das wenigstens eine Federelement ein erstes Segment der mehreren Segmente mit einem zweiten Segment der mehreren Segmente in den zweiten Zustand vorspannend verbindet.
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Im Folgenden können die mehreren Segmente auch als einzelne Segmente oder Segmente bezeichnet werden.
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Somit kann die erfindungsgemäße Lösung auch derart beschrieben werden, dass das Werkzeug bzw. gefährliche Teile des Werkzeugs aus einzelnen Segmenten aufgebaut sind. Diese einzelnen Segmente können an einen oder mehreren Seilen kettenartig hintereinander angeordnet sein, wobei ein Ende des Seils mit dem vordersten Segment verbunden ist und das andere Ende beweglich an dem Roboter angeordnet ist. Wird nun das Seil gespannt, drücken die einzelnen Segmente gegeneinander, sodass durch Haftreibung und/oder Formschluss der Segmente ein starrer Verbundkörper entstehen kann und dadurch das einsetzbare Werkzeug gebildet wird.
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Die einzelnen Segmente können bevorzugt so gestaltet werden, dass jedes Segment oben eine Verengung und unten eine entsprechende Öffnung für die Aufnahme der Verengung eines anderen d.h. des jeweils benachbarten Segments aufweist. Sind die Verengungen nicht rund, kann im gespannten Zustand ein Torsionsmoment entlang der Seilachse übertragen werden. Auch können bei entsprechender konstruktiver Gestaltung Knickkräfte orthogonal zur Seilachse aufgenommen und/oder übertragen werden. Durch eine Kombination mehrerer solcher Stränge können auch dreidimensionale Gebilde aufgebaut werden, um beispielsweise eine höhere Steifigkeit bei gleichzeitig erhöhter Reichweite zu erreichen.
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Für die Bewegung der Segmente kann auch eine Druckluftvorrichtung anstelle oder zusammen mit dem Seil verwendet werden. Hierzu werden die einzelnen Segmente mit beispielsweise elastischen luftdichten Balgen miteinander verbunden, wobei je nach Ausführung Über- oder Unterdruck im Werkzeug aufgebaut werden kann, durch den sich die elastischen luftdichten Balge zusammenziehen. Diese Konstruktion kann besonders vorteilhaft sein, weil sie kaum bewegliche Teile benötigt. Gleichzeitig kann das System so gestaltet werden, dass eine Druckluft Zuführung nur zur Veränderung des Zustands benötigt wird, wobei der jeweilige Zustand energielos aufrechterhalten werden kann. Dieses Prinzip kann ebenso hydraulisch funktionieren.
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Für die Bewegung der Segmente kann auch wenigstens ein elektrischer Magnet anstelle oder zusammen mit dem Seil verwendet werden. Hierbei können die Segmente beispielsweise über Balge miteinander beweglich verbunden sein. Die Elektromagnete können die jeweils folgenden Segmente anziehen. Werden im unteren Bereich der Segmente zusätzlich Permanentmagnete angebracht, kann die Bewegung auch in beide Richtungen erfolgen.
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Ein Trennen der einzelnen Segmente voneinander kann beispielsweise mittels Federelementen zwischen den Segmenten erfolgen. Die Federelemente können dabei als wirkliche Feder, aber auch als Werkstücke aus elastischem Schaumstoff, Gummi oder auch zweiteilig als sich abstoßende Magnete gestaltet sein.
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Greifer für einen Roboter, aufweisend wenigstens zwei Greiferbacken, die jeweils als wenigstens ein erstes Werkzeug und ein zweites Werkzeug nach Anspruch 1 bzw. dem beschriebenen Werkzeug ausgebildet sind.
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Greifer wobei bevorzugt ein Teil einer Greiferbackenbewegung, insbesondere einer Greifbackenschließbewegung zur Überführung des wenigstens ersten und zweiten Werkzeugs (1, 1.1, 1.2) vom zweiten Zustand in den ersten Zustand nutzbar ist.
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Greifer wobei ein Ende eines ersten Seils des ersten Werkzeuges und ein Ende eines zweiten Seils des zweiten Werkzeuges am Greifer mittels jeweils einer Umlenkrolle befestigt ist, wobei bei der Greifbackenschließbewegung das erste Seil und das zweite Seil eingespannt und die Greiferbacken aufrichtbar bzw. vom zweiten Zustand in den ersten Zustand überführbar sind. Bevorzugt ist das Überführen vom zweiten Zustand in den ersten Zustand ein Aufrichten der Greiferbacken bzw. des jeweiligen Werkzeugs oder der Werkzeuge.
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Greifer wobei bevorzugt Seile FGL-Seile sind, die an einem unteren ersten Werkzeug und zweiten Werkzeug zur Mitte des Greifers abgelenkt und dort befestigt sind, wobei zwischen der Greifermitte und einem jeweiligen Schlitten Federelemente angebracht sind und eine Verkürzung der FGL-Seile durch eine elektrische Energiequelle herbeiführbar ist.
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Die 1 bis 11 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Werkzeuges.
- In 1 und 2 wird das Spannen oder das Entspannen des Seiles 4 durch geeignete Konstruktionsmittel ohne zusätzliche Aktuatorik gezeigt, indem beispielsweise die Bewegung des Roboters genutzt wird. Hierbei wird der Roboter so bewegt, dass eine Hebelvorrichtung 5 so gegen eine geeignete (feste) Stelle der Umgebung drückt, dass die Hebelvorrichtung 5 sich dreht und somit das Seil 4 aufgewickelt und gespannt wird. Dadurch kann das Werkzeug 1 mittels der Stellvorrichtung 3 in eine starre Anordnung gebracht werden und die Segmente 2 nehmen die Form des Werkzeuges an. Durch ein Abwickeln des Seils 4 von der Hebelvorrichtung 5 werden die Segmente 2 wieder in eine bewegliche Anordnung gebracht. Auch kann es möglich sein, die Länge des Seils 4 durch Erwärmung zu verändern, indem für das Seil beispielsweise ein Formgedächtniswerkstoff wie beispielsweise Nitinol verwendet wird. Die Erwärmung kann hierbei vorzugsweise durch das Anlegen elektrischer Spannung an den Drahtenden erzeugt werden, wie dies beispielsweise in 8 angedeutet ist.
- In 3, 4 und 5 wird der besondere Anwendungsfall des Werkzeugs 1 als Greiferbacken dargestellt. Hierbei kann das erste Werkzeug 1.1 als eine erste Backe und das zweite Werkzeug 1.2 als eine zweite Backe betrachtet werden, die beispielsweise bei Transferbewegungen im gegeneinander beweglichen Zustand der Segmente 2 einen weniger gefährlichen Aufbau aufweisen, sodass beispielsweise auf eine Absicherung des gesamten Greifers verzichtet werden kann. Hierunter ist zu verstehen, dass insbesondere die Greiferbacken, gebildet als erstes und zweites Werkzeug 1.1, 1.2, keine oder nur eine geringe Absicherung benötigen, jedoch weiterhin ein Greifergehäuse abgesichert werden muss/kann. Ein besonderer Vorteil ist, dass ein Teil der Backenbewegung ausgenutzt werden kann, um die Backen aufzurichten. Dabei wird ein Ende des ersten Seils 4.1 des ersten Werkzeuges 1.1 und ein Ende des zweiten Seils 4.2 des zweiten Werkzeuges 1.2 am Greifer mittels jeweils einer Umlenkrolle 17 befestigt, sodass beim Verschieben der Backe das Seil eingespannt wird, und die Backe sich aufrichten. Hierbei wird das greiferseitige Ende des Seiles 4.1 des ersten Werkzeuges und des Seils 4.2 des zweiten Werkzeuges 1.2 über eine Feder 7 mit der Stellvorrichtung 3 verbunden, damit die Backe nach dem Aufrichten weiter zur eigentlichen Greifposition bewegt werden kann. Des Weiteren ist eine Seildurchführung 6 aufgeführt, die ebenso als Gegenlager für die Feder 7 dient.
- In 6 und 7 werden weitere mögliche Aufbauarten dargestellt, in denen jeweils ein Motor 8 mit Spule das Seil 4 bewegt. Wobei jeweils eine Leitrolle 9 zum Leiten des Seils 4 eingesetzt ist und zusätzlich zur Leitrolle 9 noch eine Längenausgleichsvorrichtung 10 genutzt ist.
- In 8 wird eine weitere mögliche Aufbauart dargestellt. Hierbei wird ein Greifer mittels eines ersten Werkzeuges 1.1 und eines zweiten Werkzeuges 1.2 gebildet. Als Seil 4.1 und 4.2 werden längenveränderliche Seile, insbesondere FGL-Seile verwendet, die am unteren ersten Werkzeug 1.1 und zweiten Werkzeug 1.2 zur Mitte des Greifers abgelenkt und dort befestigt sind. Zwischen der Greifermitte und dem jeweiligen Schlitten sind Federelemente 12 angebracht. Eine Verkürzung des Seils 4.1 und 4.2 kann durch Anlegen einer elektrischen Energiequelle 11 herbeigeführt werden. Ein Abschalten der elektrischen Energiequelle 11 führt zu einer Verlängerung des Seils 4.1 und 4.2 durch selbsttätige Abkühlung des jeweiligen Seils 4.1 oder 4.2 sowie durch die Rückstellkraft der Feder.
- In 9 und 10 wird eine weitere mögliche Aufbauart dargestellt. Hierbei weist die Stellvorrichtung 3 einen Motor 8 mit einer Spule auf, der das Seil 4.1 und 4.2 bewegt. Optional kann der Motor 8 mit einer Spule in seinem Freiheitsgrad beweglich aufgehängt werden, indem die Spannkraft des Seilzugs 13 genutzt wird. Zwischen dem Motor und dem ersten Werkzeug 1.1 sowie dem zweiten Werkzeug 1.2 kann dabei ein Kraftaufnehmer 14 befestigt werden, wie dies in 10 angedeutet ist. Wird das Seil 4.1 bzw. 4.2 gespannt, bewegt sich der Motor 8 mit seiner Spule in Zugrichtung des Seils 4 und erzeugt eine Kraft an dem Kraftaufnehmer 14. Durch den Kraftaufnehmer 14 können beispielsweise Kollisionen aber auch ebenso Greifkräfte erfasst werden. Alternativ können Kollisionen und/oder Greifkräfte aber auch basierend auf dem Motorstrom oder mit DMS-Sensoren im Seil 4.1, 4.2 gemessen werden.
- Die 11 zeigt den Einsatz einer beispielhaften Zustandserkennungsvorrichtung 15, die sicherstellen kann, dass im entspannten Zustand die einzelnen Segmente tatsächlich voneinander getrennt sind. Hierzu wird die Zustandserkennungsvorrichtung 15 genutzt, die beispielsweise mittels elektrischen Kontaktstellen 15.1 ausgebildet ist und im oberen Bereich der Segmente angebracht wird. Diese beispielsweise elektrischen Kontaktstellen 15.1 sind im gefügten Zustand durch elektrisch leitfähige Oberflächen im unteren Bereich des nachfolgenden Segmentes elektrisch verbunden. Im entspannten Zustand gibt es keine Kontaktierung, sodass damit der Zustand des Werkzeugs erkannt werden kann.
- Die 12 zeigt den Einsatz einer weiteren beispielhaften Zustandserkennungsvorrichtung 15, die den Zustand des Werkzeuges pneumatisch bestimmt. Dabei werden in den Segmenten 2 Längsbohrungen 16 vorgesehen werden, die ineinander übergehen. Dadurch kann die pneumatische Zustandserkennungsvorrichtung 15.2 Druckluft durch die Längsbohrungen 16 führen, wobei beim letzten Segment des Werkzeuges die Bohrung nicht durchgehend ist. Im gefügten Zustand kann sich in der durch die Längsbohrungen 16 entstandenen Röhre ein Druck aufbauen, welcher gemessen werden kann. Bei Verwendung von Elektromagneten kann der Zustand beispielsweise über die Messung des elektromagnetischen Feldes der jeweiligen Elektromagneten erfolgen.
