DE102020114700A1

DE102020114700A1 - Device for controlling a manipulator arm for a robot and manipulator arm with such a device

Info

Publication number: DE102020114700A1
Application number: DE102020114700.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Zeug; Mark Werth
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2040-06-04
Also published as: WO2021244702A1; DE102020114700B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Steuern eines Manipulatorarms (8) für einen Roboter, umfassend ein Gehäuse (2), das dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar an dem Manipulatorarm (8) angeordnet zu sein, ein mit dem Gehäuse (2) drehfest und axialfest verbundener Träger (3), eine an dem Gehäuse (2) angeordnete Pneumatikeinrichtung (4), ein zumindest teilweise in dem Träger (3) angeordnetes Formelement (5) und mindestens eine Sensorvorrichtung (6), wobei das Formelement (5) dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar ein Werkzeug (7) für das Handhabungsgerät (1) aufzunehmen, wobei die Pneumatikeinrichtung (4) zumindest mittelbar das Formelement (5) in den Träger (3) drückt, wobei das Formelement (5) gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung (4) relativ zum Träger (3) verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (6) zumindest zur Erfassung einer Relativposition zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) ausgebildet ist, und wobei die Sensorvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, den Manipulatorarm (8) anzusteuern, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) erfasst wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Manipulatorarm (8) für einen Roboter, umfassend eine solche Vorrichtung (1).The invention relates to a device (1) for controlling a manipulator arm (8) for a robot, comprising a housing (2) which is designed to be arranged at least indirectly on the manipulator arm (8), a device connected to the housing (2) non-rotatably and axially fixedly connected carrier (3), a pneumatic device (4) arranged on the housing (2), a shaped element (5) arranged at least partially in the carrier (3) and at least one sensor device (6), the shaped element (5) is set up to at least indirectly receive a tool (7) for the handling device (1), the pneumatic device (4) at least indirectly pressing the shaped element (5) into the carrier (3), the shaped element (5) against the pressure of the Pneumatic device (4) is displaceable, rotatable and tiltable relative to the carrier (3), the at least one sensor device (6) being designed at least to detect a relative position between the shaped element (5) and the carrier (3), and w whether the sensor device (6) is set up to control the manipulator arm (8) when a relative movement between the shaped element (5) and the carrier (3) is detected. The invention also relates to a manipulator arm (8) for a robot, comprising such a device (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Manipulatorarms für einen Roboter sowie einen Manipulatorarm mit einer solchen Vorrichtung.The invention relates to a device for controlling a manipulator arm for a robot and a manipulator arm with such a device.

Die Vorrichtung zum Steuern eines Manipulatorarms ist insbesondere für Cobot-Anwendungen vorgesehen, bei denen eine Absicherung von Roboterperipherie und Werkstück notwendig ist. Unter Cobot-Anwendungen sind insbesondere Anwendungen mit Mensch-Roboter-Kollaboration ohne Schutzbarrieren zu verstehen.The device for controlling a manipulator arm is intended in particular for cobot applications in which it is necessary to protect the robot periphery and the workpiece. Cobot applications are to be understood as meaning, in particular, applications with human-robot collaboration without protective barriers.

Allgemein bekannt sind Kraft- und Leistungsbegrenzungsvorrichtungen, die in Manipulatorarmen integriert sind. Bei einer ungewollten Kollision des Manipulatorarms mit einem Hindernis wird die abweichende Kraft bzw. das Drehmoment von der Kraft- und Leistungsbegrenzungsvorrichtung erkannt und der Roboter gestoppt. Problematisch ist, dass die Kollisionserkennung erst unmittelbar nach der Kollision anspricht. Daher addieren sich die Reaktionszeit dieses Systems mit dem Bremsweg bis zum kompletten Stopp des Systems. Der Bremsweg nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit des Manipulatorarms zu. Aufgrund der meist scharfen Kanten und spitzen Ecken des Werkzeugs ist bei einer Kollision des Werkzeugkopfs mit einem menschlichen Hindernis die Verletzungsgefahr besonders hoch.Force and power limiting devices that are integrated in manipulator arms are generally known. In the event of an unwanted collision of the manipulator arm with an obstacle, the deviating force or torque is recognized by the force and power limiting device and the robot is stopped. The problem is that the collision detection only responds immediately after the collision. Therefore, the reaction time of this system is added to the braking distance until the system is completely stopped. The braking distance increases with increasing speed of the manipulator arm. Due to the mostly sharp edges and pointed corners of the tool, the risk of injury is particularly high if the tool head collides with a human obstacle.

Beispielsweise geht aus der WO 2019/200415 A1 eine Vorrichtung zum Steuern eines Handhabungsgeräts, insbesondere eines Manipulatorarms für einen Roboter hervor. Die Vorrichtung umfasst ein auf dem Handhabungsgerät anordenbares Trägergehäuse mit einem außen auf dem Trägergehäuse angeordneten taktilen Sensorkörper sowie einen am Trägergehäuse beweglich gelagerten Werkzeugträger. Der Sensorkörper ist bei Belastung des Werkzeugträgers von dem Werkzeugträger betätigbar. Ferner ist der Sensorkörper von einer gasgefüllten Kammer gebildet, die von einer flexiblen, durch Kollision mit einem Hindernis verformbaren Hülle umgeben ist und weiters einen Drucksensor zur Messung des Gasdrucks im Inneren der Kammer umfasst.For example, the WO 2019/200415 A1 a device for controlling a handling device, in particular a manipulator arm for a robot. The device comprises a carrier housing which can be arranged on the handling device and has a tactile sensor body arranged on the outside of the carrier housing, as well as a tool carrier movably mounted on the carrier housing. The sensor body can be actuated by the tool carrier when the tool carrier is loaded. Furthermore, the sensor body is formed by a gas-filled chamber which is surrounded by a flexible shell that can be deformed by collision with an obstacle and furthermore comprises a pressure sensor for measuring the gas pressure inside the chamber.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompaktbauende Vorrichtung zum Steuer eines Manipulatorarms für einen Roboter vorzuschlagen, die nachrüstbar ist, höhere Bewegungsgeschwindigkeiten des Manipulatorarms ermöglicht und die Sicherheit im Betrieb des Manipulatorarms erhöht. Insbesondere sollen bei einer Kollision die auftretenden Kräfte verringert werden.The object of the present invention is to propose a compact device for controlling a manipulator arm for a robot, which device can be retrofitted, enables higher movement speeds of the manipulator arm and increases the safety in the operation of the manipulator arm. In particular, the forces that occur should be reduced in the event of a collision.

Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.The object is achieved by the subject matter of claim 1. Preferred embodiments can be found in the dependent claims.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer eines Manipulatorarms für einen Roboter umfasst ein Gehäuse, das dazu eingerichtet ist, an dem Manipulatorarm angeordnet zu sein, ein zumindest mittelbar mit dem Gehäuse drehfest und axialfest verbundener Träger, eine an dem Gehäuse angeordnete Pneumatikeinrichtung, ein zumindest teilweise in dem Träger angeordnetes Formelement und mindestens eine Sensorvorrichtung, wobei das Formelement dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar ein Werkzeug für das Handhabungsgerät aufzunehmen, wobei die Pneumatikeinrichtung zumindest mittelbar das Formelement in den Träger drückt, wobei das Formelement gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung relativ zum Träger verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung zumindest zur Erfassung einer Relativposition zwischen dem Formelement und dem Träger ausgebildet ist, und wobei die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Manipulatorarm anzusteuern, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement und dem Träger erfasst wird.A device according to the invention for controlling a manipulator arm for a robot comprises a housing which is designed to be arranged on the manipulator arm, a carrier that is at least indirectly connected to the housing in a rotationally fixed and axially fixed manner, a pneumatic device arranged on the housing, an at least partially in the Form element arranged on the carrier and at least one sensor device, the form element being set up to at least indirectly receive a tool for the handling device, the pneumatic device at least indirectly pressing the form element into the carrier, the form element being displaceable and rotatable relative to the carrier against the pressure of the pneumatic device and is tiltable, wherein the at least one sensor device is designed at least to detect a relative position between the shaped element and the carrier, and wherein the sensor device is designed to control the manipulator arm when a relative movement Tension between the form element and the carrier is detected.

Mit anderen Worten dient die erfindungsgemäße Vorrichtung als Steuervorrichtung für den Manipulatorarm, wobei diese sowohl zum Schutz des von dem Manipulatorarm geführten Werkzeugs als auch zum Schutz des in der Kollision verwickelten Hindernisses vorgesehen ist. Denn bei einer Kollision des Werkzeugs, das über die erfindungsgemäße Vorrichtung nachgiebig mit dem Manipulatorarm verbunden ist, wird das Werkzeug belastet, wobei diese Belastung in das Formelement eingeleitet wird, das seinerseits verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist. Die Bewegungsfreiheit des Formelements im Träger dient zum einen zur Erkennung der Kollision und zum anderen als Bewegungspuffer zur Realisierung der Nachgiebigkeit. Das Formelement wird bei einer Kollision gegen die Kraft der Pneumatikeinrichtung im Träger verschoben.In other words, the device according to the invention serves as a control device for the manipulator arm, this being provided both to protect the tool guided by the manipulator arm and to protect the obstacle involved in the collision. In the event of a collision of the tool, which is flexibly connected to the manipulator arm via the device according to the invention, the tool is loaded, this loading being introduced into the molded element, which in turn is displaceable, rotatable and tiltable. The freedom of movement of the shaped element in the carrier serves on the one hand to detect the collision and on the other hand as a movement buffer to realize the flexibility. In the event of a collision, the shaped element is displaced against the force of the pneumatic device in the carrier.

Bevorzugt bilden das Gehäuse, der Träger, die Pneumatikeinrichtung, das Formelement und die Sensorvorrichtung eine nachrüstbare Einheit, die zwischen dem Manipulatorarm und dem Werkzeug bzw. der Werkzeugaufnahme angeordnet sind. Vorzugsweise ist an dem Gehäuse die Schnittstelle zum Manipulatorarm ausgebildet, wobei die Schnittstelle zu dem Werkzeug bzw. zu der Werkzeugaufnahme an dem Formelement ausgebildet ist. Insbesondere verkürzt sich aufgrund der Nachgiebigkeit der Bremsweg.The housing, the carrier, the pneumatic device, the shaped element and the sensor device preferably form a retrofittable unit which is arranged between the manipulator arm and the tool or the tool holder. The interface to the manipulator arm is preferably formed on the housing, the interface to the tool or to the tool holder being formed on the molded element. In particular, the braking distance is shortened due to the flexibility.

Unter einem Formelement ist ein Bauteil zu verstehen, welches eine bestimmte geometrische Form aufweist, sodass bei einer Krafteinleitung über das Werkstück in das Formelement eine Positionsveränderung des Formelements im Träger erfolgt. Unter einer Positionsveränderung des Formelements ist ein Verschieben, Verdrehen und/oder Verkippen des Formelements relativ zum Träger zu verstehen.A shaped element is to be understood as a component which has a specific geometric shape so that when a force is introduced into the shaped element via the workpiece Change of position of the form element in the carrier takes place. A change in position of the shaped element is to be understood as a shifting, twisting and / or tilting of the shaped element relative to the carrier.

Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, das dazu eingerichtet ist, die Position des Formelements im Träger zu erfassen. Vorzugsweise ist das mindestens eine Sensorelement als Sicherheitssensor mit zwei Kanälen ausgebildet. Insbesondere umfasst die Sensorvorrichtung auch eine Steuer- und Auswerteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Sensorsignale auszuwerten und Steuersignale an ein Steuerungssystem des Manipulatorarms bzw. Roboters zu senden.The sensor device comprises at least one sensor element which is set up to detect the position of the shaped element in the carrier. The at least one sensor element is preferably designed as a safety sensor with two channels. In particular, the sensor device also comprises a control and evaluation device which is set up to evaluate sensor signals and to send control signals to a control system of the manipulator arm or robot.

Unter einem Ansteuern des Manipulatorarms ist zu verstehen, dass Steuersignale vorzugsweise über Leitungen an den Manipulatorarm gesendet werden, um diesen zu betätigen, beispielsweise abzubremsen, anzuhalten oder zurückzuziehen, insbesondere in eine Ausgangsposition zu führen.Activation of the manipulator arm is understood to mean that control signals are preferably sent to the manipulator arm via lines in order to actuate it, for example to brake, stop or withdraw it, in particular to guide it into a starting position.

Insbesondere ist die Pneumatikeinrichtung als Pneumatikzylinder ausgebildet, der vorzugsweise im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und zumindest mittelbar, also direkt oder über mindestens ein weiteres Element auf das Formelement einwirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Druck der Pneumatikeinrichtung auf das Formelement kontinuierlich und stufenlos einstellbar. Beispielsweise wird der Druck der Pneumatikeinrichtung auf das Formelement verringert, wenn der Schutz von Werkzeug und Hindernis bei einer Kollision erhöht werden soll. Dadurch erhöht sich die Nachgiebigkeit bei einem Kontakt zwischen Werkzeug und Hindernis, wobei gleichzeitig die auftretenden Kräfte in Folge der Kollision verringert werden.In particular, the pneumatic device is designed as a pneumatic cylinder which is preferably arranged in the interior of the housing and acts at least indirectly, that is to say directly or via at least one further element, on the shaped element. According to a preferred embodiment of the invention, a pressure of the pneumatic device on the form element can be adjusted continuously and steplessly. For example, the pressure of the pneumatic device on the molded element is reduced if the protection of the tool and the obstacle is to be increased in the event of a collision. This increases the flexibility when there is contact between the tool and the obstacle, while at the same time reducing the forces that occur as a result of the collision.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger zumindest teilweise komplementär zu dem Formelement ausgebildet, wobei das Formelement dazu eingerichtet ist, eine stabile Position in dem Träger einzunehmen. Mithin weisen der Träger und das Formelement zumindest teilweise, also an mindestens einem Geometrieabschnitt ähnliche Geometrien auf, sodass diese zumindest teilweise ineinander greifen bzw. aneinander flächig zur Anlage kommen. Die stabile Position des Formelements im Träger liegt dann vor, wenn das Formelement, somit auch das damit verbundene Werkzeug unbelastet sind bzw. nur durch die Pneumatikeinrichtung belastet werden. Je nach Betrieb kann die Vorspannung des Formelements in dem Träger mittels der Pneumatikeinrichtung erhöht werden, um den Halt des Formelements im Träger in der stabilen Position zu erhöhen. Die Vorspannung durch die Pneumatikeinrichtung regelt die Auslösekraft bei der Kollision des Werkzeugs. Vorteilhaft ist die Anpassbarkeit zwischen geringer Auslösekraft bei potentiellen Kollisionsstellen und hohen Auslösekräften für bestimmte Prozesse.According to a preferred embodiment of the invention, the carrier is designed to be at least partially complementary to the shaped element, the shaped element being set up to assume a stable position in the carrier. The carrier and the shaped element therefore have similar geometries at least partially, that is to say on at least one geometry section, so that they at least partially interlock or come to rest flat against each other. The stable position of the shaped element in the carrier is present when the shaped element, and thus also the tool connected to it, are unloaded or are only loaded by the pneumatic device. Depending on the operation, the pretensioning of the molded element in the carrier can be increased by means of the pneumatic device in order to increase the hold of the molded element in the carrier in the stable position. The preload by the pneumatic device regulates the release force when the tool collides. The adaptability between a low release force for potential collision points and high release force for certain processes is advantageous.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Formelement mindestens drei Flächen auf, die in der stabilen Position an drei Flächen des Trägers zur Anlage kommen. Insbesondere sind die mindestens drei Flächen am Formelement und am Träger schräg ausgebildet, wobei zumindest die Kanten zwischen den Flächen abgerundet ausgebildet sind. Mittels der drei komplementär zueinander ausgebildeten Flächen wird das Formelement im Träger zentriert, wobei eine stabile Rückstellposition realisiert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Formelement sechs Flächen auf, die in der stabilen Position an sechs Flächen des Trägers zur Anlage kommen.According to a preferred embodiment of the invention, the shaped element has at least three surfaces which, in the stable position, come to rest on three surfaces of the carrier. In particular, the at least three surfaces on the shaped element and on the carrier are designed to be inclined, with at least the edges between the surfaces being rounded. The shaped element is centered in the carrier by means of the three mutually complementary surfaces, with a stable return position being realized. According to a preferred embodiment, the shaped element has six surfaces which, in the stable position, come to rest on six surfaces of the carrier.

Vorzugsweise ist das Formelement kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Träger einen kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme des Formelements aufweist. Insbesondere ist das Formelement als regelmäßige, sechsseitige Pyramide mit abgeflachter Spitze ausgebildet. Grundsätzlich sind auch weitere Geometrien für das Formelement denkbar, um die Funktion Verschieben, Verdrehen und Verkippen relativ zum Träger zu verwirklichen. Ein kegelstumpfförmiges Formelement in Verbindung mit einem kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt am Träger realisieren eine selbstständige Rückstellung nach Auslenkung bzw. Verdrehung des Formelements.The shaped element is preferably designed to be frustoconical, the carrier having a frustoconical receiving section for receiving the shaped element. In particular, the shaped element is designed as a regular, six-sided pyramid with a flattened tip. In principle, other geometries are also conceivable for the shaped element in order to realize the function of shifting, twisting and tilting relative to the carrier. A frustoconical shaped element in connection with a frustoconical receiving section on the carrier realize an automatic return after deflection or rotation of the shaped element.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorvorrichtung mindestens drei Sensorelemente auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt in dem Träger angeordnet und dazu eingerichtet sind, die Position des Formelements im Träger zu erfassen. Mit anderen Worten ist zwischen drei Sensorelementen jeweils ein Winkel von 120° ausgebildet. Dadurch wird mittels einer geringen Anzahl von Sensorelementen eine zuverlässige Detektion von Auslenkungen des Formelements in allen Richtungen gewährleistet.According to a preferred embodiment of the invention, the sensor device has at least three sensor elements which are arranged evenly distributed over the circumference in the carrier and are set up to detect the position of the shaped element in the carrier. In other words, an angle of 120 ° is formed between three sensor elements. This ensures reliable detection of deflections of the shaped element in all directions by means of a small number of sensor elements.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Sensorelement als induktiver Näherungssensor ausgebildet. Die Sensitivität der Sensorelemente kann über ihre Position im Träger eingestellt werden. Beispielsweise liegt nur dann ein Signal an, wenn sich das Formelement in der stabilen Position, also in der Ruhelage befindet. Vorteile von induktiven Näherungssensoren sind die Unempfindlichkeit gegen Verunreinigungen, eine hohe Robustheit und die Möglichkeit der Durchführung von äußerst präzisen Messungen.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one sensor element is designed as an inductive proximity sensor. The sensitivity of the sensor elements can be adjusted via their position in the carrier. For example, a signal is only present when the shaped element is in the stable position, that is to say in the rest position. Advantages of inductive proximity sensors are the insensitivity to contamination, a high level of robustness and the possibility of performing extremely precise measurements.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Sensorelement als optischer Sensor ausgebildet. Beispielsweise generiert das mindestens eine Sensorelement eine Lichtschranke, die auf das Formelement gerichtet ist. Auch optische Sensoren ermöglichen die Durchführung von äußerst präzisen Messungen und weisen eine hohe Robustheit auf.According to a preferred embodiment of the invention, the at least one sensor element is designed as an optical sensor. For example, the at least one sensor element generates a light barrier that is directed onto the shaped element. Optical sensors also enable extremely precise measurements to be carried out and are extremely robust.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Pneumatikeinrichtung und dem Formelement ein Druckelement zur Aufnahme eines Druckes von der Pneumatikeinrichtung und Einleitung dieses Druckes in das Formelement angeordnet. Über das Druckelement erfolgt die Krafteinleitung von der Pneumatikeinrichtung in das Formelement. Vorzugsweise ist das Druckelement halbkugelförmig ausgebildet, sodass eine positionsunabhängige Krafteinleitung erfolgen kann. Insbesondere liegt das Druckelement in jeder Position an der Pneumatikeinrichtung und am Formelement an. Insbesondere ist das Druckelement an dem Formelement fixiert. According to a preferred embodiment of the invention, a pressure element is arranged between the pneumatic device and the molded element for receiving a pressure from the pneumatic device and introducing this pressure into the molded element. The force is introduced from the pneumatic device into the molded element via the pressure element. The pressure element is preferably designed to be hemispherical so that a position-independent introduction of force can take place. In particular, the pressure element rests against the pneumatic device and the shaped element in every position. In particular, the pressure element is fixed on the shaped element.

Ferner betrifft die Erfindung einen Manipulatorarm für einen Roboter, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer des Manipulatorarms. Der Manipulatorarm weist vorzugsweise einen oder mehrere Manipulatorarmsegmente auf, welche über ein jeweiliges Robotergelenk miteinander gelenkig verbunden sind. In jedem Gelenk ist beispielsweise ein Antrieb, zumindest aufweisend einen Antriebsmotor und ein Getriebe, integriert. Vorzugsweise ist ferner ein Winkelencoder in jedem Gelenk integriert. Die miteinander über das jeweilige Gelenk verbundenen Roboterarmsegmente sind um eine Drehachse relativ zueinander verstellbar. Mehrere Manipulatorarmsegmente bilden somit einen Manipulatorarm des Roboters aus. An einem freien Ende des Manipulatorarms ist über eine Aufnahme ein Werkzeug angeordnet. Zumindest mittelbar zwischen dem Werkzeug und dem Manipulatorarm ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer des Manipulatorarms angeordnet.The invention also relates to a manipulator arm for a robot, comprising at least one device according to the invention for controlling the manipulator arm. The manipulator arm preferably has one or more manipulator arm segments which are articulated to one another via a respective robot joint. In each joint, for example, a drive, at least having a drive motor and a gear, is integrated. An angle encoder is also preferably integrated in each joint. The robot arm segments connected to one another via the respective joint can be adjusted relative to one another about an axis of rotation. Several manipulator arm segments thus form a manipulator arm of the robot. A tool is arranged on a receptacle at a free end of the manipulator arm. A device according to the invention for controlling the manipulator arm is arranged at least indirectly between the tool and the manipulator arm.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Manipulatorarms mit einer Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms,
2 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms,
3 eine teilweise transparente Draufsicht auf einen Träger mit einem Formelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms,
4 eine Draufsicht auf das Formelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms, und
5 eine teilweise transparente Schnittdarstellung des Trägers der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms.

Further measures improving the invention are shown in more detail below together with the description of a preferred exemplary embodiment of the invention with reference to the figures. It shows

1 a schematic representation of a manipulator arm according to the invention with a device for controlling the manipulator arm,
2 a sectional view through the device according to the invention for controlling the manipulator arm,
3 a partially transparent top view of a carrier with a shaped element of the device according to the invention for controlling the manipulator arm,
4th a plan view of the shaped element of the device according to the invention for controlling the manipulator arm, and
5 a partially transparent sectional view of the carrier of the device according to the invention for controlling the manipulator arm.

Gemäß 1 ist ein Manipulatorarm 8 eines - hier nur teilweise dargestellten - Roboters schematisiert gezeigt. Der Manipulatorarm 8 weist mehrere Roboterarmsegmente auf, die über Gelenke miteinander verbunden sind. An einem freien Ende 11 des Manipulatorarms 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Steuern des Manipulatorarms 8 angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 und ein drehfest sowie axialfest damit verbundenen Träger 3 auf. Das Gehäuse 2 ist über ein roboterseitiges Adapterelement 12 mit dem Manipulatorarm 8 verbunden, wobei ein in dem Träger 3 angeordnetes Formelement 5, das in den nachfolgenden Figuren dargestellt ist, über ein werkzeugseitiges Adapterelement 13 mit einem Werkzeug 7 verbunden ist.According to 1 is a manipulator arm 8th of a robot - shown here only partially - shown schematically. The manipulator arm 8th has several robot arm segments that are connected to one another via joints. At a free end 11th of the manipulator arm 8th is a device according to the invention 1 to control the manipulator arm 8th arranged. The device according to the invention 1 has a housing 2 and a non-rotatably and axially fixedly connected carrier 3 on. The case 2 is via an adapter element on the robot side 12th with the manipulator arm 8th connected, one in the carrier 3 arranged form element 5 , which is shown in the following figures, via a tool-side adapter element 13th with one tool 7th connected is.

In 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 geschnitten dargestellt. Diese weist das Gehäuse 2 auf, das mittelbar über das roboterseitige Adapterelement 12 mit dem Manipulatorarm 8 verbunden ist, wobei vorliegend der Manipulatorarm 8 ausgeblendet ist. Das roboterseitige Adapterelement 12 ist über Schrauben 14 fest mit dem Gehäuse 2 verbunden. Ferner ist der Träger 3 über Schrauben 15 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden.In 2 is the device according to the invention 1 shown in section. This has the housing 2 on, indirectly via the adapter element on the robot side 12th with the manipulator arm 8th is connected, in the present case the manipulator arm 8th is hidden. The adapter element on the robot side 12th is about screws 14th firmly to the housing 2 connected. Furthermore, the carrier is 3 about screws 15th with the case 2 firmly connected.

An einer Innenfläche des Gehäuses 2 ist eine als Pneumatikzylinder ausgebildete Pneumatikeinrichtung 4 angeordnet. In dem Träger 3 ist zumindest teilweise das Formelement 5 und eine Sensorvorrichtung 6 mit drei Sensorelementen 6a-6c angeordnet, wobei aufgrund der Schnittdarstellung vorliegend nur eines der drei Sensorelemente 6a-6c dargestellt ist. Das Formelement 5 ist über das werkzeugseitige Adapterelement 13 mit dem Werkzeug 7 verbunden, wobei vorliegend das Werkzeug 7 ausgeblendet ist.On an inner surface of the housing 2 is a pneumatic device designed as a pneumatic cylinder 4th arranged. In the carrier 3 is at least partially the form element 5 and a sensor device 6th with three sensor elements 6a-6c arranged, with only one of the three sensor elements present due to the sectional view 6a-6c is shown. The feature 5 is via the adapter element on the tool side 13th with the tool 7th connected, in the present case the tool 7th is hidden.

Axial zwischen dem Formelement 5 und der Pneumatikeinrichtung 4 ist ein Druckelement 10 zur Aufnahme eines Druckes von der Pneumatikeinrichtung 4 und Einleitung dieses Druckes in das Formelement 5 angeordnet. Das Druckelement 10 ist halbkugelförmig ausgebildet und mit dem Formelement 5 über eine Schraube 16 verbunden. Ferner verbindet die Schraube 16 auch das werkzeugseitige Adapterelement 13 mit dem Formelement 5. Die Pneumatikeinrichtung 4 drückt das Formelement 5 über das Druckelement 10 in eine stabile Position in den Träger 3, vorliegend in die Ruhelage. Axially between the form element 5 and the pneumatic device 4th is a pressure element 10 for receiving a pressure from the pneumatic device 4th and introducing this pressure into the form element 5 arranged. The pressure element 10 is hemispherical and with the shaped element 5 about a screw 16 connected. The screw also connects 16 also the adapter element on the tool side 13th with the feature 5 . The pneumatic device 4th pushes the feature 5 about the pressure element 10 in a stable position in the carrier 3 , in the present case in the rest position.

Ein Druck der Pneumatikeinrichtung 4, der mittelbar über das Druckelement 10 auf das Formelement 5 einwirkt, ist kontinuierlich und stufenlos einstellbar.A pressure of the pneumatic device 4th , which is indirectly via the pressure element 10 on the feature 5 acts is continuously and steplessly adjustable.

Der Träger 3 ist zumindest teilweise komplementär zu dem Formelement 5 ausgebildet. Vorliegend ist das Formelement 5 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Träger 3 einen kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt 9 zur Aufnahme des Formelements 5 aufweist. Das Formelement 5 ist gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung 4 relativ zum Träger 3 verschiebbar, verdrehbar und verkippbar, und zwar dann, wenn das Werkzeug 7 kollidiert. Die Sensorvorrichtung 6 erfasst über die Sensorelemente 6a-6c eine Relativposition des Formelements 5 zum Träger 3, wobei die Sensorvorrichtung 6 den Manipulatorarm 8 ansteuert, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement 5 und dem Träger 3 erfasst wird. Beispielsweise wird bei einer Kollision des Werkzeugs 7 und Auslenkung des Formelements 5 der Manipulatorarm 8 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 unverzüglich gestoppt. Die Nachgiebigkeit der Werkzeugs 7 aufgrund der verschiebbaren, verdrehbaren und verkippbaren Lagerung des Formelements 5 im Träger vermindert die Kontaktenergie bei der Kollision und schützt dadurch sowohl das Werkzeug 7 als auch das Kollisionsobjekt.The carrier 3 is at least partially complementary to the shaped element 5 educated. Here is the form element 5 frustoconical, the carrier 3 a frustoconical receiving portion 9 to accommodate the molding 5 having. The feature 5 is against the pressure of the pneumatic device 4th relative to the carrier 3 movable, rotatable and tiltable when the tool 7th collided. The sensor device 6th detected via the sensor elements 6a-6c a relative position of the feature 5 to the carrier 3 , the sensor device 6th the manipulator arm 8th controls when a relative movement between the form element 5 and the wearer 3 is captured. For example, if the tool collides 7th and deflection of the form element 5 the manipulator arm 8th by means of the device according to the invention 1 stopped immediately. The compliance of the tool 7th due to the displaceable, rotatable and tiltable mounting of the molding element 5 in the carrier reduces the contact energy in the event of a collision and thereby protects both the tool 7th as well as the collision object.

Die grundsätzliche Funktion beruht darauf, dass das kegelstumpfförmige Formelement 5 durch die Pneumatikeinrichtung 4 in den kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt 9 am Träger 3 gedrückt wird. Die Pneumatikeinrichtung 4 fungiert somit als verstellbare Druckfeder, wodurch sich die Kraft, die benötigt wird, um das Formelement 5 aus dem Aufnahmeabschnitt 9 am Träger 3 zu drücken über den anliegenden Druck einstellen lässt. Besonders vorteilhaft ist die kegelstumpfförmige Geometrie des Formelements 5. Diese sorgt neben einer stabilen Position bzw. Rastposition in der Grundstellung für eine automatische Rückstellung nach Auslenkung. Die drei Sensorelemente 6a-6c, die als zweikanalige Sicherheitssensoren ausgebildet und in einem Winkel von 120° angeordnet sind, erfassen sowohl eine Auslenkung als auch eine Rotation des Formelements 5.The basic function is based on the fact that the frustoconical shaped element 5 by the pneumatic device 4th into the frustoconical receiving section 9 on the carrier 3 is pressed. The pneumatic device 4th thus acts as an adjustable compression spring, thereby increasing the force that is needed to move the molded element 5 from the receiving section 9 on the carrier 3 to press via the applied pressure can be adjusted. The frustoconical geometry of the shaped element is particularly advantageous 5 . In addition to a stable position or locking position in the basic position, this ensures automatic reset after deflection. The three sensor elements 6a-6c , which are designed as two-channel safety sensors and are arranged at an angle of 120 °, detect both a deflection and a rotation of the molded element 5 .

Gemäß 3 sind der Träger 3 und das darin angeordnete Formelement 5 teilweise transparent in einer Draufsicht dargestellt. Das Formelement 5 weist sechs Flächen 5a-5f auf, die in der stabilen Position an sechs Flächen 3a-3f des Trägers 3 zur Anlage kommen. Die Sensorvorrichtung 6 weist drei Sensorelemente 6a-6c auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt in dem Träger 3 angeordnet und dazu eingerichtet sind, die Position des Formelements 5 im Träger 3 zu erfassen. Vorliegend ist die Position der Sensorelemente 6a-6c in dafür vorgesehene Bohrungen am Träger 3 durch die Pfeile mit den Bezugszeichen 6a, 6b, 6c angedeutet. Beispielsweise sind die Sensorelemente 6a-6c als induktive Näherungssensoren ausgebildet. Alternativ und hier nicht dargestellt können die Sensorelemente 6a-6c als optische Sensoren ausgebildet sein.According to 3 are the carrier 3 and the shaped element arranged therein 5 shown partially transparent in a top view. The feature 5 has six faces 5a-5f on that in the stable position on six faces 3a-3f of the wearer 3 come to the plant. The sensor device 6th has three sensor elements 6a-6c on, which is evenly distributed over the circumference in the carrier 3 are arranged and set up, the position of the molding 5 in the carrier 3 capture. The present is the position of the sensor elements 6a-6c into holes provided for this purpose on the carrier 3 indicated by the arrows with the reference numerals 6a, 6b, 6c. For example, the sensor elements 6a-6c designed as inductive proximity sensors. Alternatively, and not shown here, the sensor elements can 6a-6c be designed as optical sensors.

4 zeigt eine Draufsicht auf den Kegelstumpf des Formelements 5. Die Stirnseite des Formelements 5 am Kegelstumpf weist drei Bohrungen 17, 18 auf, wobei die mittlere Bohrung 17 zur Aufnahme der Schraube 16 für das werkzeugseitige Adapterelement 13 vorgesehen ist, und wobei die beiden äußeren Bohrungen 18 zur Aufnahme von nicht näher dargestellten Zentriermittel bzw. Fixiermittel zwischen Druckelement 10 und Formelement 5 vorgesehen sind. Ferner sind drei weitere Bohrungen 19 für die Sensorelemente 6a-6c in den Flächen 5a, 5c, 5e am Formelement 5 dargestellt. Umfangsseitig zwischen den sechs Flächen 5a-5f am Formelement 5 sind sechs Abrundungen 20a-20f, durch Ausbildung von Radien zwischen den Flächen 5a-5f ausgebildet. 4th shows a plan view of the truncated cone of the molding 5 . The face of the molding 5 there are three bores on the truncated cone 17th , 18th on, with the middle hole 17th to hold the screw 16 for the adapter element on the tool side 13th is provided, and wherein the two outer bores 18th for receiving centering means or fixing means, not shown in detail, between the pressure element 10 and shape element 5 are provided. There are also three more holes 19th for the sensor elements 6a-6c in the surfaces 5a, 5c, 5e on the form element 5 shown. On the circumferential side between the six surfaces 5a-5f on the form element 5 are six roundings 20a-20f , by creating radii between the surfaces 5a-5f educated.

5 zeigt eine seitliche teilweise transparente Schnittdarstellung des Trägers 3. Aus 5 ist ersichtlich, dass der kegelstumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 am Träger 3, zumindest zur teilweisen Aufnahme des Formelements 5 eingerichtet ist. Dazu ist der kegelstumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 komplementär zu der kegelstumpfförmigen Geometrie des Trägers 3 ausgebildet. Mit anderen Worten bildet der kegelstumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 eine Negativkontur zu der Positivkontur des Formelements 5 aus. 5 shows a side, partially transparent, sectional view of the carrier 3 . Out 5 it can be seen that the frustoconical receiving portion 9 on the carrier 3 , at least for partial inclusion of the form element 5 is set up. The frustoconical receiving section is for this purpose 9 complementary to the frustoconical geometry of the support 3 educated. In other words, the frustoconical receiving portion forms 9 a negative contour to the positive contour of the molding element 5 out.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: Vorrichtungcontraption
22: Gehäusecasing
33: Trägercarrier
3a-3f3a-3f: Fläche am TrägerSurface on the carrier
44th: PneumatikeinrichtungPneumatic device
55: FormelementForm element
5a-5f5a-5f: Fläche am FormelementSurface on the feature
66th: SensorvorrichtungSensor device
6a-6c6a-6c: SensorelementSensor element
77th: Werkzeugtool
88th: ManipulatorarmManipulator arm
99: AufnahmeabschnittReceiving section
1010: DruckelementPrinting element
1111th: freies Ende des Manipulatorarmsfree end of the manipulator arm
1212th: roboterseitiges Adapterelementadapter element on the robot side
1313th: werkzeugseitiges Adapterelementtool-side adapter element
1414th: Schraubescrew
1515th: Schraubescrew
1616: Schraubescrew
1717th: Bohrungdrilling
1818th: Bohrungdrilling
1919th: Bohrungdrilling
20a-20f20a-20f: AbrundungRounding off

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2019/200415 A1 [0004]

Claims

Device (1) for controlling a manipulator arm (8) for a robot, comprising a housing (2) which is designed to be arranged at least indirectly on the manipulator arm (8), one that is non-rotatably and axially connected to the housing (2) Carrier (3), a pneumatic device (4) arranged on the housing (2), a shaped element (5) arranged at least partially in the carrier (3) and at least one sensor device (6), the shaped element (5) being set up to at least indirectly to receive a tool (7) for the handling device (1), the pneumatic device (4) at least indirectly pressing the shaped element (5) into the carrier (3), the shaped element (5) against the pressure of the pneumatic device (4) is displaceable, rotatable and tiltable relative to the carrier (3), the at least one sensor device (6) being designed at least to detect a relative position between the shaped element (5) and the carrier (3), and the sensor device ( 6) is set up to control the manipulator arm (8) when a relative movement between the shaped element (5) and the carrier (3) is detected.

Device (1) according to Claim 1 , characterized in that the carrier (3) is at least partially complementary to the shaped element (5), the shaped element (5) being set up to assume a stable position in the carrier (3).

Device (1) according to Claim 2 , characterized in that the shaped element (5) has at least three surfaces (5a-5f) which, in the stable position, come to rest on three surfaces (3a-3f) of the carrier (3).

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the shaped element (5) is frustoconical, the carrier (3) having a frustoconical receiving section (9) for receiving the shaped element (5).

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device (6) has at least three sensor elements (6a-6c), which are arranged evenly distributed over the circumference in the carrier (3) and are set up to measure the position of the Form elements (5) to be recorded in the carrier (3).

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor element (6a-6c) is designed as an inductive proximity sensor.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one sensor element (6a-6c) is designed as an optical sensor.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that between the pneumatic device (4) and the shaped element (5) a pressure element (10) for receiving a pressure from the pneumatic device (4) and introducing the pressure into the shaped element (5 ) is arranged.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure of the pneumatic device (4), which acts at least indirectly on the shaped element (5), is continuously and steplessly adjustable.

Manipulator arm (8) for a robot, comprising at least one device (1) according to one of the Claims 1 until 9 .