DE102021000125B4

DE102021000125B4 - Robot with a support device

Info

Publication number: DE102021000125B4
Application number: DE102021000125.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Riedel
Original assignee: KUKA Deutschland GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2041-01-15
Also published as: DE102021000125A1

Abstract

Roboter, aufweisend einen Roboterarm (8) mit mehreren Gliedern (13) und Gelenken (14), wobei die Glieder (13) zur Bildung einer kinematischen Kette durch die Gelenke (14) gegeneinander verstellbar verbunden sind und eines der Glieder (13) einen Befestigungsflansch (13a) aufweist, an dem ein Werkzeug (5) gelagert ist, wobei das Werkzeug (5) ausgebildet ist, zum Aufbringen einer von dem Werkzeug (5) erzeugten linearen Prozesskraft auf ein von dem Werkzeug (5) zu bearbeitendes Werkstück (6), das Werkzeug (5) eine Abstützeinrichtung (15) aufweist, die ausgebildet ist, eine bei Einwirken des Werkzeugs (5) auf das Werkstück (6) durch die lineare Prozesskraft resultierende lineare Reaktionskraft in eine von den beweglichen Gliedern (13) und Gelenken (14) des Roboterarms (8) verschiedene Abstützstelle (7) in der Umgebung des Roboterarms (8) einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützeinrichtung (15) einen Halter umfasst, der ausgebildet ist, das Werkzeug (5) an dem Befestigungsflansch (13a) des Roboterarms (87) zu lagern und zwar mittels einer passiv verstellbaren Lagerung, welche das Werkzeug (5) relativ zum Befestigungsflansch (13a) in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbar lagert, wobei der Halter eine lineare Führung (17) aufweist, welche ein an dem Befestigungsflansch (13a) befestigtes Führungsmittel (18) aufweist und einen an dem Führungsmittel (18) in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbares Schiebemittel (19) aufweist, an dem das Werkzeug (5) befestigt ist.Robot having a robot arm (8) with a plurality of links (13) and joints (14), the links (13) being adjustably connected to form a kinematic chain by the joints (14) and one of the links (13) having a fastening flange (13a) on which a tool (5) is mounted, the tool (5) being designed to apply a linear process force generated by the tool (5) to a workpiece (6) to be machined by the tool (5) , the tool (5) has a support device (15) which is designed to convert a linear reaction force resulting from the action of the tool (5) on the workpiece (6) by the linear process force into one of the movable members (13) and joints ( 14) of the robot arm (8) to introduce different support points (7) in the vicinity of the robot arm (8), characterized in that the support device (15) comprises a holder which is designed to hold the tool (5) on the fastening flange (13a) of the robot arm (87) by means of a passively adjustable mounting, which mounts the tool (5) in a passively adjustable manner relative to the mounting flange (13a) in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, with the holder having a linear guide (17) which has a has guide means (18) attached to the attachment flange (13a) and has sliding means (19) which can be passively adjusted on the guide means (18) in the direction of the process force and in the direction of the reaction force and on which the tool (5) is attached.

Description

Die Erfindung betrifft einen Roboter, aufweisend einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und Gelenken, wobei die Glieder zur Bildung einer kinematischen Kette durch die Gelenke gegeneinander verstellbar verbunden sind und eines der Glieder einen Befestigungsflansch aufweist, an dem ein Werkzeug gelagert ist, wobei das Werkzeug ausgebildet ist, zum Aufbringen einer von dem Werkzeug erzeugten linearen Prozesskraft auf ein von dem Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück.The invention relates to a robot, having a robot arm with a plurality of links and joints, the links being connected to form a kinematic chain by the joints so that they can be adjusted in relation to one another, and one of the links has a fastening flange on which a tool is mounted, the tool being designed to apply a linear process force generated by the tool to a workpiece to be machined by the tool.

Die DE 10 2016 013 083 A1 beschreibt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Modells eines Prozess-Roboters, mit den Schritten des Beaufschlagens eines Kalibrier-Roboters mit einer Umgebungskontaktkraft und Ermitteln einer Kalibrierabweichung infolge des Beaufschlagens mit dieser Umgebungskontaktkraft, des Beaufschlagens des Kalibrier-Roboters mit wenigstens einer weiteren Umgebungskontaktkraft und Ermitteln einer weiteren Kalibrierabweichung infolge des Beaufschlagens mit dieser Umgebungskontaktkraft in wenigstens zwei Kalibrierposen des Kalibrier-Roboters, und des Kalibrierens eines Modells des Prozess-Roboters auf Basis dieser Posen, Umgebungskontaktkräfte und Kalibrierabweichungen.The DE 10 2016 013 083 A1 describes a method for calibrating a model of a process robot, with the steps of applying an environmental contact force to a calibration robot and determining a calibration deviation as a result of applying this environmental contact force, applying at least one additional environmental contact force to the calibration robot and determining a further calibration deviation as a result of applying this environmental contact force in at least two calibration poses of the calibration robot, and calibrating a model of the process robot based on these poses, environmental contact forces and calibration deviations.

Die DE 20 2013 105 910 U1 zeigt ein Roboterwerkzeug mit einem Roboteranschluss für die Verbindung mit einem Industrieroboter, wobei das Roboterwerkzeug für einen Werkzeugträger mit mehreren Werkzeugen aufweist und das Roboterwerkzeug eine gemeinsame Medienversorgung für die Werkzeuge aufweist.The DE 20 2013 105 910 U1 shows a robot tool with a robot connector for connection to an industrial robot, the robot tool having a tool carrier with a plurality of tools and the robot tool having a common media supply for the tools.

Die DE 38 32 114 C2 beschreibt ein Werkzeug für einen Industrieroboter, der einen mehrteiligen Roboterarm und eine Steuereinheit aufweist, die die Relativposition der einzelnen Armteile zueinander steuert, an dem das Werkzeug anflanschbar ist.The DE 38 32 114 C2 describes a tool for an industrial robot that has a multi-part robot arm and a control unit that controls the relative position of the individual arm parts to one another, to which the tool can be flanged.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Roboter zu schaffen, mit dem Prozesskräfte, welche durch ein vom Roboterarm getragenes Werkzeug erzeugt werden, mit einfachen Mitteln zuverlässig abgestützt werden können.The object of the invention is to create a robot with which process forces generated by a tool carried by the robot arm can be reliably supported using simple means.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Roboter, aufweisend einen Roboterarm mit mehreren Gliedern und Gelenken, wobei die Glieder zur Bildung einer kinematischen Kette durch die Gelenke gegeneinander verstellbar verbunden sind und eines der Glieder einen Befestigungsflansch aufweist, an dem ein Werkzeug gelagert ist, wobei das Werkzeug ausgebildet ist, zum Aufbringen einer von dem Werkzeug erzeugten linearen Prozesskraft auf ein von dem Werkzeug zu bearbeitendes Werkstück, wobei das Werkzeug eine Abstützeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, eine bei Einwirken des Werkzeugs auf das Werkstück durch die lineare Prozesskraft resultierende lineare Reaktionskraft in eine von den beweglichen Gliedern und Gelenken des Roboterarms verschiedene Abstützstelle in der Umgebung des Roboterarms einzuleiten , wobei die Abstützeinrichtung einen Halter umfasst, der ausgebildet ist, das Werkzeug an dem Befestigungsflansch des Roboterarms zu lagern und zwar mittels einer passiv verstellbaren Lagerung, welche das Werkzeug relativ zum Befestigungsflansch in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbar lagert, wobei der Halter eine lineare Führung aufweist, welche ein an dem Befestigungsflansch befestigtes Führungsmittel aufweist und einen an dem Führungsmittel in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbares Schiebemittel aufweist, an dem das Werkzeug befestigt ist.The object is achieved by a robot having a robot arm with a plurality of links and joints, the links being connected to form a kinematic chain such that they can be adjusted in relation to one another by the joints, and one of the links has a fastening flange on which a tool is mounted, the tool being designed to apply a linear process force generated by the tool to a workpiece to be machined by the tool, the tool having a support device which is designed to produce a linear reaction force resulting from the action of the tool on the workpiece as a result of the linear process force a support point different from the movable limbs and joints of the robot arm in the vicinity of the robot arm, with the support device comprising a holder which is designed to support the tool on the mounting flange of the robot arm by means of a passively adjustable mounting which supports the tool in a passively adjustable manner relative to the mounting flange in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, the holder having a linear guide which has a guide means attached to the mounting flange and a guide means on the guide means in the direction of the process force and in the direction of the reaction force has passively adjustable sliding means to which the tool is attached.

Der Roboter kann eine Steuervorrichtung umfassen, die ausgebildet und eingerichtet ist, die Gelenke des Roboterarms automatisch kraft-/momentgeregelt anzusteuern und zwar in einer Nachgiebigkeitsregelung, bei welcher das den Befestigungsflansch aufweisende Glied des Roboterarms entgegen der Prozesskraftrichtung ausweicht, um ein Einleiten der linearen Reaktionskraft in den Roboterarm zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Statt den Roboterarm nachgiebig zu regeln, kann die Abstützeinrichtung, insbesondere der Halter oder die Aufnahme das Werkzeug am Befestigungsflansch des Roboterarms nachgiebig lagern.The robot can include a control device that is designed and set up to automatically control the joints of the robot arm in a force/torque-controlled manner, namely in a compliance control in which the link of the robot arm that has the mounting flange deflects against the direction of the process force in order to prevent or at least reduce the introduction of the linear reaction force into the robot arm. Instead of regulating the robot arm in a flexible manner, the support device, in particular the holder or the receptacle, can support the tool in a flexible manner on the fastening flange of the robot arm.

Mittels der erfindungsgemäßen Abstützstelle kann ein Roboter geschaffen werden, mit dem Prozesskräfte abgestützt werden können, selbst dann, wenn der Roboterarm des Roboters aufgrund seiner Bauart nicht dazu ausgelegt ist, derart hohe Prozesskräfte aufnehmen zu können.Using the support point according to the invention, a robot can be created with which process forces can be supported, even if the robot arm of the robot is not designed to be able to absorb such high process forces due to its design.

Einige zu automatisierende Aufgaben erfordern das Ausüben einer hohen Prozesskraft. Hier sind beispielsweise eindimensionale Prozesse, insbesondere Fügeoperationen, wie Stecken, Pressen oder Nieten, oder Umformoperationen, wie Biegen, Drücken oder Stanzen, oder Fertigungsoperationen, wie beispielsweise Bohren zu nennen. Soll ein Roboter dabei das Werkzeug führen, so werden beim Prozess sehr hohe Prozesskräfte auf den Roboter, seine Struktur, d.h. seine Glieder und seine Gelenke, sowie gegebenenfalls auf seine Antriebe bzw. Motoren ausgeübt. Diese Kräfte liegen meist ein Vielfaches über der zulässigen Nutzlast des Roboters und können diesen überlasten und somit irreparabel schädigen. Das Führen des Werkzeugs in die prozesserforderliche Pose erfordert jedoch hingegen meist nur sehr wenig Kraft.Some tasks to be automated require the exertion of a high process force. Examples include one-dimensional processes, in particular joining operations such as plugging, pressing or riveting, or forming operations such as bending, pressing or punching, or manufacturing operations such as drilling. If a robot is to guide the tool, very high process forces are exerted on the robot, its structure, i.e. its limbs and joints, and possibly on its drives or motors during the process. These forces are usually many times higher than the permissible payload of the robot and can overload it and thus damage it irreparably. However, guiding the tool into the pose required for the process usually requires very little force.

Die Lösung liegt in einer maximal direkten Kraftleitung, die am Roboter vorbei, unmittelbar vom Werkstück über das Werkzeug auf das Gestell des Roboterarms oder in einen Rahmen, einen Boden oder eine Wand geführt und dort eingeleitet wird.The solution lies in a maximum direct power line that bypasses the robot from the workpiece via the tool onto the frame of the robot arm or into a frame, floor or wall and is introduced there.

Das Werkzeug kann dabei vorzugsweise dabei durch eine Aufnahme, d.h. einen Halter kraftentkoppelt am Roboterarm bzw. dessen Befestigungsflansch gelagert sein. Die Aufnahme bzw. der Halter kann dabei eine lineare Führung besitzen, die in Richtung der Prozesskraft ausgerichtet ist. Das Werkzeug kann beispielsweise aus einem einfachen Hubzylinder aufgebaut sein, dessen Kolben das eigentliche Werkzeug oder einen Stecker führt. Eine Feder kann den Zylinder im kraftlosen Zustand, bzw. in einem Zustand, in dem nur die Gravitationskraft einwirkt, in einer Ausgangslage, die eine Bewegung des Gesamtzylinders sowohl nach unten gegen die Feder, als auch nach oben frei bzw. gegen die Gravitation zulässt. Es sollte daher ein Spalt oder zumindest ein geringer Abstand zwischen der Aufnahme und dem Anschlag existieren. Dem Werkzeug gegenüberliegend befindet sich eine Gegendrückplatte, d.h. ein Kopplungsmittel, insbesondere mit einem Reibkörper, wie beispielsweise Gummi) ausgestattet, das insbesondere gelenkig mit dem Zylinder verbunden sein kann. Hierdurch sind auch Pressungen möglich, die nicht senkrecht zur Robotergrundebene, also nicht vertikal, gerichtet sind.The tool can preferably be mounted in a force-decoupled manner by a mount, i.e. a holder, on the robot arm or its mounting flange. The recording or the holder can have a linear guide that is aligned in the direction of the process force. The tool can be made up of a simple lifting cylinder, for example, the piston of which guides the actual tool or a plug. A spring can move the cylinder in a powerless state, or in a state in which only the force of gravity is acting, in an initial position that allows the entire cylinder to move both downwards against the spring and upwards freely or against gravity. There should therefore be a gap or at least a small distance between the receptacle and the stop. Opposite the tool there is a counter-pressure plate, i.e. a coupling means, equipped in particular with a friction body (e.g. rubber) which can in particular be articulated to the cylinder. As a result, pressures are also possible that are not perpendicular to the robot base plane, i.e. not vertical.

Die Abstützeinrichtung umfasst einen Halter, der ausgebildet ist, das Werkzeug an dem Befestigungsflansch des Roboterarms zu lagern und zwar mittels einer passiv verstellbaren Lagerung, welche das Werkzeug relativ zum Befestigungsflansch in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbar lagert.The support device includes a holder which is designed to mount the tool on the mounting flange of the robot arm by means of a passively adjustable mounting which mounts the tool passively adjustable relative to the mounting flange in the direction of the process force and in the direction of the reaction force.

Der Halter weist eine lineare Führung auf, welche ein an dem Befestigungsflansch befestigtes Führungsmittel aufweist und einen an dem Führungsmittel in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbares Schiebemittel aufweist, an dem das Werkzeug befestigt ist. Das Schiebemittel kann beispielsweise in Art einer Schlittenführung oder Linearführung ausgebildet sein.The holder has a linear guide, which has a guide means fastened to the fastening flange and has a sliding means which can be passively adjusted on the guide means in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, to which the tool is fastened. The sliding means can be designed, for example, in the form of a slide guide or linear guide.

Das Werkzeug und/oder das passiv verstellbare Schiebemittel kann ein Kopplungsmittel aufweisen, das ausgebildet ist, das Werkzeug an die Abstützstelle in der Umgebung des Roboterarms anzukoppeln, derart, dass die entgegen der Prozesskraftrichtung wirkende lineare Reaktionskraft in die Abstützstelle eingeleitet wird, wenn die Prozesskraft auf das Werkstück einwirkt.The tool and/or the passively adjustable sliding means can have a coupling means which is designed to couple the tool to the support point in the vicinity of the robot arm in such a way that the linear reaction force acting against the direction of the process force is introduced into the support point when the process force acts on the workpiece.

Das Kopplungsmittel kann ein passiv verstellbares Drehgelenk aufweisen, insbesondere ein passiv verstellbares, dreiwertiges Drehgelenk aufweisen, das ausgebildet ist, eine Kontaktfläche des Kopplungsmittels an die Ausrichtung der Abstützstelle anzupassen, indem die vom Kopplungsmittel auf die Abstützstelle übertragene Reaktionskraft das Drehgelenk verstellt.The coupling means can have a passively adjustable swivel joint, in particular a passively adjustable, trivalent swivel joint, which is designed to adapt a contact surface of the coupling means to the alignment of the support point in that the reaction force transmitted from the coupling means to the support point adjusts the swivel joint.

Der Halter oder das Werkzeug kann ein zu dem Kopplungsmittel zusätzliches Abstützmittel aufweisen, welches ausgebildet ist, zum Abstützen des Werkzeugs in einer entgegengesetzt zur Abstützrichtung des Kopplungsmittels wirkenden Gegenabstützrichtung an einer Gegenabstützstelle.The holder or the tool can have a support means that is additional to the coupling means and is designed to support the tool in a counter-support direction acting opposite to the support direction of the coupling means at a counter-support point.

Der Halter kann ein Federmittel umfassen, welches ausgebildet ist, das Werkzeug in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung relativ zum Befestigungsflansch passiv verstellbar in eine mittlere Grundposition vorgespannt zu halten, so dass das Werkzeug entgegen der Federkraft des Federmittels rückstellbar aus der mittleren Grundposition linear auslenkbar ist.The holder can include a spring means, which is designed to keep the tool passively adjustable in the direction of the process force and in the direction of the reaction force relative to the fastening flange in a central basic position, so that the tool can be resettable against the spring force of the spring means and can be linearly deflected from the central basic position.

Der Roboterarm kann ein von den Gliedern und den Gelenken des Roboterarms separates Tragmittel aufweisen, welches die Abstützstelle trägt und welches ausgebildet ist, eine über die Abstützeinrichtung in die Abstützstelle eingeleitete Reaktionskraft über das Tragmittel hinweg in ein Grundgestell des Roboterarms einzuleiten.The robot arm can have a support means which is separate from the limbs and the joints of the robot arm and which carries the support point and which is designed to introduce a reaction force introduced into the support point via the support device into a base frame of the robot arm via the support means.

Das Tragmittel kann zum Umpositionieren und/oder Umorientieren der vom Tragmittel getragenen Abstützstelle wenigstens ein manuell verstellbares und arretierbares Gelenk aufweist.The support means can have at least one manually adjustable and lockable joint for repositioning and/or reorienting the support point carried by the support means.

Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Konkrete Merkmale dieser exemplarischen Ausführungsbeispiele können unabhängig davon, in welchem konkreten Zusammenhang sie erwähnt sind, gegebenenfalls auch einzeln oder in weiteren Kombinationen betrachtet, allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen.Concrete exemplary embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the attached figures. Specific features of these exemplary embodiments can represent general features of the invention, regardless of the specific context in which they are mentioned, if appropriate also considered individually or in further combinations.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Roboterarms, der an seinem Befestigungsflansch ein Werkzeug trägt, welches auf eine Unterseite eines Werkstücks drückend einwirkt,
2 eine schematische Darstellung eines Roboterarms, der an seinem Befestigungsflansch ein Werkzeug trägt, welches auf eine Oberseite eines Werkstücks drückend einwirkt,
3 eine schematische Darstellung eines Roboterarms, der an seinem Befestigungsflansch ein Werkzeug trägt, welches auf eine laterale Seitenwand eines Werkstücks drückend einwirkt,
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Halters mit dem Werkzeug,
5 eine schematische Darstellung eines Roboterarms, der das Werkzeug am Halter trägt und unter das Werkstück positioniert,
6 eine schematische Darstellung der Ausführung des Prozessschrittes, wobei sich das Werkzeug mittels des Halters und des Kopplungsmittels gegen einen Boden als Abstützstelle abstützt,
7 eine schematische Darstellung, wie das Werkzeug sich mittels des Halters und eines zum Kopplungsmittel zusätzliches, gegenüberliegendes Abstützmittel gegen das Werkstück als alternative Abstützstelle abstützt,
8 eine schematische Darstellung, wie das Werkzeug zusammen mit dem Halter und dem Kopplungsmittel wieder von dem Werkstück gelöst werden kann,
9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante, bei der sich das Werkzeug gegen ein vom Roboterarm separates starres Tragmittel abstützt,
10 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante, bei der sich das Werkzeug gegen ein vom Roboterarm separates gelenkiges Tragmittel mit einem Drehfreiheitsgrad abstützt, und
11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante, bei der sich das Werkzeug gegen ein vom Roboterarm separates gelenkiges Tragmittel mit zwei Schwenkfreiheitsgraden abstützt.

Show it:

1 a schematic representation of a robot arm that carries a tool on its mounting flange, which has a pressing effect on the underside of a workpiece,
2 a schematic representation of a robot arm, which carries a tool on its mounting flange, which has a pressing effect on an upper side of a workpiece,
3 a schematic representation of a robot arm that carries a tool on its mounting flange, which acts pressingly on a lateral side wall of a workpiece,
4 a schematic representation of an exemplary embodiment of a holder with the tool,
5 a schematic representation of a robot arm that carries the tool on the holder and positions it under the workpiece,
6 a schematic representation of the execution of the process step, wherein the tool is supported by means of the holder and the coupling means against a floor as a support point,
7 a schematic representation of how the tool is supported against the workpiece as an alternative support point by means of the holder and an additional, opposite support means to the coupling means,
8th a schematic representation of how the tool together with the holder and the coupling means can be detached from the workpiece again,
9 a schematic representation of an embodiment variant in which the tool is supported against a rigid support means separate from the robot arm,
10 a schematic representation of an embodiment variant in which the tool is supported against an articulated support means which is separate from the robot arm and has a rotational degree of freedom, and
11 a schematic representation of an embodiment variant in which the tool is supported against an articulated support means which is separate from the robot arm and has two pivoting degrees of freedom.

Die 1 bis 8 zeigen Beispiele, bei denen ein schwergängiger Stecker 1 in eine Buchse 2 eingeführt werden soll (insb. 4). Das am Zylinder 3 befestigte werkzeugzeitige zusätzliche Abstützmittel 4 dient einem Abziehen des Werkzeugs 5 bzw. des Steckers 1 aus der Buchse 2.The 1 until 8th show examples where a sluggish plug 1 is to be inserted into a socket 2 (esp. 4 ). The tool-related additional support means 4 attached to the cylinder 3 is used to remove the tool 5 or the plug 1 from the socket 2.

Die 1 beispielsweise zeigt ein konkretes Szenario einer Aufgabenstellung, bei der ein Steckprozess mit sehr hoher Steck- und Abziehkraft in einem sehr flachem Bauraum automatisiert werden soll. In diesem Fall soll ein Werkstück 6, beispielsweise ein Fahrzeug, dicht über einer Abstützstelle 7 insbesondere einem Boden oder einer Wand geführt werden, an dem ein Roboterarm 8 über einen Roboterfuß 9, wie beispielsweise einem Grundgestell 9a befestigt ist. Das Werkzeug 5 führt eine lineare Bewegung durch und könnte auch als Gelenk an beliebiger Stelle der kinematischen Kette untergebracht werden. Nach dem Prozess, z.B. Stecken und Ziehen des Steckers 1, wird die Buchse 2 entfernt und eine neue Buchse 2 mit leicht veränderter Position wird bereitgestellt, indem ein anderes Werkstück 6 bzw. ein anderes Fahrzeug herangeführt wird. Das Werkzeug 5 wird demnach stets in einer anderen Pose benötigt.The 1 for example, shows a specific scenario of a task in which a mating process with very high mating and unmating forces is to be automated in a very flat installation space. In this case, a workpiece 6, for example a vehicle, is to be guided closely over a support point 7, in particular a floor or a wall, to which a robot arm 8 is attached via a robot foot 9, such as a base frame 9a. The tool 5 performs a linear movement and could also be accommodated as a joint at any point in the kinematic chain. After the process, eg plugging and unplugging the plug 1, the socket 2 is removed and a new socket 2 with a slightly different position is provided by bringing in another workpiece 6 or another vehicle. The tool 5 is therefore always required in a different pose.

Die 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel mit drei Freiheitsgraden mit einer räumlichen Struktur des Roboterarms 8, der das Werkzeug 5 führt, welches auf einer Ebene vertikal, also in Richtung seiner zweiten bis vierten Gelenksachse eine hohe Prozesskraft aufbringen muss.The 2 shows an application example with three degrees of freedom with a spatial structure of the robot arm 8, which guides the tool 5, which has to apply a high process force on a vertical plane, ie in the direction of its second to fourth joint axis.

Die 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel mit sechs Freiheitsgraden (mit einem Handgelenk von zwei Freiheitsgraden) bei der das Werkzeug 5 horizontal operiert und hauptsächlich der Antrieb der ersten Gelenksachse und alle Gelenklagerungen belastet werden.The 3 shows an application example with six degrees of freedom (with a wrist of two degrees of freedom) in which the tool 5 operates horizontally and mainly the drive of the first joint axis and all joint bearings are loaded.

Die 5 zeigt eine nahezu kraftfreie Roboterbewegung zur Positionierung des Werkzeugs 5, welches sich in seiner eingezogenen Grundstellung befindet.The 5 shows an almost force-free robot movement for positioning the tool 5, which is in its retracted basic position.

Zur Aufbringung der hohen Prozesskraft, wie in 6 veranschaulicht, wird der Zylinder 3 auseinandergefahren. Dabei fährt zunächst der Kolben 10 nach oben, während der Zylinder 3 durch ein Federmittel 11 in Position gehalten wird. Bei Kontakt des Steckers 1 bzw. des Werkzeugs 5 mit der Gegenseite baut sich eine leichte Druckkraft auf, die den Zylinder 3 gegen die Federkraft nach unten schiebt. Berührt die Gegenplatte d.h. das Kopplungsmittel 12 den Boden, also die Abstützstelle 7, wird die komplette Zylinderkraft direkt in den Prozess geleitet.To apply the high process force, as in 6 illustrated, the cylinder 3 is moved apart. First, the piston 10 moves upwards, while the cylinder 3 is held in position by a spring means 11 . When the plug 1 or the tool 5 comes into contact with the opposite side, a slight compressive force builds up, which pushes the cylinder 3 downwards against the spring force. If the counterplate, ie the coupling means 12, touches the ground, ie the support point 7, the entire cylinder force is fed directly into the process.

Zum Abziehen des Steckers 1 wird, wie in 7 und 8 veranschaulicht ist, der Kolben 10 wieder eingefahren, wodurch der Zylinder 3 über seine Ausgangslage nach oben gezogen wird, bis die Anlageflächen d.h. das zusätzliche Abstützmittel 4 am Werkstück 6 neben der Buchse 2 anliegen. Ein weiteres Einfahren des Kolbens 10 bewirkt nun ein sehr kraftvolles Herausziehen des Steckers 1 mit ebenfalls bestmöglicher Kraftleitung.To unplug connector 1, proceed as in 7 and 8th is illustrated, the piston 10 is retracted again, as a result of which the cylinder 3 is pulled upwards beyond its initial position until the contact surfaces, ie the additional support means 4, rest against the workpiece 6 next to the bushing 2. A further retraction of the piston 10 now causes the plug 1 to be pulled out very powerfully, also with the best possible power transmission.

Nachdem der Stecker 1 gelöst wurde, bewirken Schwerkraft und das Federmittel 11 ein zentrieren des gesamten Zylinders 3 in seine Ausgangslage.After the plug 1 has been released, gravity and the spring means 11 cause the entire cylinder 3 to be centered in its initial position.

Der Roboter weist demgemäß einen Roboterarm 8 mit mehreren Gliedern 13 und Gelenken 14 auf, wobei die Glieder 13 zur Bildung einer kinematischen Kette durch die Gelenke 14 gegeneinander verstellbar verbunden sind und eines der Glieder 13 einen Befestigungsflansch 13a aufweist, an dem das Werkzeug 5 gelagert ist, wobei das Werkzeug 5 ausgebildet ist, zum Aufbringen einer von dem Werkzeug 5 erzeugten linearen Prozesskraft auf ein von dem Werkzeug 5 zu bearbeitendes Werkstück 6, wobei das Werkzeug 5 eine Abstützeinrichtung 15 aufweist, die ausgebildet ist, eine bei Einwirken des Werkzeugs 5 auf das Werkstück 6 durch die lineare Prozesskraft resultierende lineare Reaktionskraft in eine von den beweglichen Gliedern 13 und Gelenken 14 des Roboterarms 8 verschiedene Abstützstelle 7 in der Umgebung des Roboterarms 8 einzuleiten.The robot accordingly has a robot arm 8 with a plurality of links 13 and joints 14, the links 13 being connected to form a kinematic chain by the joints 14 so that they can be adjusted in relation to one another, and one of the links 13 having a fastening flange 13a on which the tool 5 is mounted, the tool 5 being designed to apply a linear process force generated by the tool 5 to one of the workpiece 6 to be machined with the tool 5, the tool 5 having a support device 15 which is designed to introduce a linear reaction force resulting from the action of the tool 5 on the workpiece 6 by the linear process force into a support point 7 in the vicinity of the robot arm 8 that is different from the movable links 13 and joints 14 of the robot arm 8.

Die Abstützeinrichtung 15 umfasst einen Halter, der ausgebildet ist, das Werkzeug 5 an dem Befestigungsflansch 13a des Roboterarms 8 zu lagern und zwar mittels einer passiv verstellbaren Lagerung, welche das Werkzeug 5 relativ zum Befestigungsflansch 13a in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbar lagert.The support device 15 comprises a holder which is designed to mount the tool 5 on the fastening flange 13a of the robot arm 8 by means of a passively adjustable bearing which passively adjusts the tool 5 relative to the fastening flange 13a in the direction of the process force and in the direction of the reaction force.

Der Halter weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine lineare Führung 17 auf, welche ein an dem Befestigungsflansch 13a befestigtes Führungsmittel 18 aufweist und einen an dem Führungsmittel 18 in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung passiv verstellbares Schiebemittel 19 (Zylinder 3) aufweist, an dem das Werkzeug 5 befestigt ist.In the case of the present exemplary embodiment, the holder has a linear guide 17, which has a guide means 18 fastened to the fastening flange 13a and a sliding means 19 (cylinder 3) that can be passively adjusted on the guide means 18 in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, to which the tool 5 is fastened.

Das Werkzeug 5 und/oder das passiv verstellbare Schiebemittel 19 weist das Kopplungsmittel 12 auf, das ausgebildet ist, das Werkzeug 5 an die Abstützstelle 7 in der Umgebung des Roboterarms 8 anzukoppeln, derart, dass die entgegen der Prozesskraftrichtung wirkende lineare Reaktionskraft in die Abstützstelle 7 eingeleitet wird, wenn die Prozesskraft auf das Werkstück 6 einwirkt.The tool 5 and/or the passively adjustable sliding means 19 has the coupling means 12, which is designed to couple the tool 5 to the support point 7 in the vicinity of the robot arm 8 in such a way that the linear reaction force acting counter to the direction of the process force is introduced into the support point 7 when the process force acts on the workpiece 6.

Das Kopplungsmittel 12 kann ein passiv verstellbares Drehgelenk 20 aufweisen, insbesondere ein passiv verstellbares, dreiwertiges Drehgelenk aufweisen, das ausgebildet ist, eine Kontaktfläche des Kopplungsmittels 12 an die Ausrichtung der Abstützstelle 7 anzupassen, indem die vom Kopplungsmittel 12 auf die Abstützstelle 7 übertragene Reaktionskraft das Drehgelenk 20 verstellt.The coupling means 12 can have a passively adjustable swivel joint 20, in particular a passively adjustable, trivalent swivel joint, which is designed to adapt a contact surface of the coupling means 12 to the alignment of the support point 7 in that the reaction force transmitted from the coupling means 12 to the support point 7 adjusts the swivel joint 20.

Der Halter oder das Werkzeug 5 kann ein zu dem Kopplungsmittel 12 zusätzliches Abstützmittel 4 aufweisen, welches ausgebildet ist, zum Abstützen des Werkzeugs 5 in einer entgegengesetzt zur Abstützrichtung des Kopplungsmittels 12 wirkenden Gegenabstützrichtung an einer Gegenabstützstelle.The holder or the tool 5 can have a support means 4 in addition to the coupling means 12, which is designed to support the tool 5 in a counter-support direction acting opposite to the support direction of the coupling means 12 at a counter-support point.

Der Halter umfasst im Falle der dargestellten Ausführungsbeispiele das Federmittel 11, welches ausgebildet ist, das Werkzeug 5 in Prozesskraftrichtung und in Reaktionskraftrichtung relativ zum Befestigungsflansch 13a passiv verstellbar in eine mittlere Grundposition vorgespannt zu halten, so dass das Werkzeug 5 entgegen der Federkraft des Federmittels 11 rückstellbar aus der mittleren Grundposition linear auslenkbar ist.In the case of the illustrated exemplary embodiments, the holder comprises the spring means 11, which is designed to hold the tool 5 passively adjustable in the direction of the process force and in the direction of the reaction force relative to the fastening flange 13a in a central basic position, so that the tool 5 can be linearly deflected from the central basic position so that it can be reset against the spring force of the spring means 11.

Wie in 9 bis 11 aufgezeigt ist, kann der Roboterarm 8 ein von den Gliedern 13 und den Gelenken 14 des Roboterarms 8 separates Tragmittel 21 aufweisen, welches die Abstützstelle 7 trägt und welches ausgebildet ist, eine über die Abstützeinrichtung 12 in die Abstützstelle 7 eingeleitete Reaktionskraft über das Tragmittel 21 hinweg in ein Grundgestell 9a des Roboterarms 8 einzuleiten.As in 9 until 11 is shown, the robot arm 8 can have a support means 21 that is separate from the links 13 and the joints 14 of the robot arm 8, which carries the support point 7 and which is designed to introduce a reaction force introduced via the support device 12 into the support point 7 via the support means 21 into a base frame 9a of the robot arm 8.

Existiert nämlich keine Wand oder kein Boden in unmittelbarer Nähe, so können diese „künstlich“ erzeugt werden. Diese müssen dabei nicht starr, massiv und raumeinnehmend ausgeführt werden, sondern können als entsprechend der Aufgabe kompakt dimensioniert werden. Diese Gegendrückplatten 22 sind dabei vorzugsweise gelenkig an den Roboterarm 8 gekoppelt und werden von diesem nahezu kraftfrei so mitgeführt, dass die Gegendrückplatten 22 in möglichst vielen Roboterstellungen und/oder Werkzeugpositionen zu nutzen ist.If there is no wall or floor in the immediate vicinity, they can be created "artificially". These do not have to be rigid, massive and space-consuming, but can be dimensioned compactly according to the task. These counter-pressure plates 22 are preferably articulated to the robot arm 8 and are carried along by it with almost no force so that the counter-pressure plates 22 can be used in as many robot positions and/or tool positions as possible.

Exemplarisch ist ein beliebiger Roboterarm 8 dargestellt, welcher ein vorwiegend vertikal angeordnetes Werkzeug 5 führt, zusätzlich mit einem Kraftleitrahmen, dem separaten Tragmittel 21, ausgestattet oder nachgerüstet, welcher eine Gegendrückplatte 22 besitzt, an der sich die Abstützeinrichtung 12 rückseitig abstützen kann. Diese Gegendrückplatte 22 kann eben, wie hier dargestellt, oder leicht sphärisch, beispielsweise nach außen gewölbt, mit einem Werkzeugpunkt als Mittelpunkt ausgeprägt sein. Sie wird von dem Tragmittel 21 gehalten, welcher so dimensioniert ist, dass er die kompletten Prozesskräfte übertragen kann. Dieses Tragmittel 21 stützt sich nicht am Roboterarm 8 ab, sondern ist, beispielsweise drehbar, mit dem Grundgestell 9a verbunden. Er kann beispielsweise lediglich über einen Mitnehmer vertikal drehend mitgeführt werden, so dass die Gegendrückplatte 22 stets über dem Werkzeug 5 positioniert werden kann, beispielsweise manuell positioniert werden kann.Any robot arm 8 is shown as an example, which guides a predominantly vertically arranged tool 5, additionally equipped or retrofitted with a force guide frame, the separate support means 21, which has a counter-pressure plate 22 on which the support device 12 can be supported at the rear. This counter-pressure plate 22 can be flat, as shown here, or slightly spherical, for example curved outwards, with a tool point as the center point. It is held by the suspension element 21, which is dimensioned in such a way that it can transmit all of the process forces. This support means 21 is not supported on the robot arm 8, but is connected to the base frame 9a, for example rotatably. It can, for example, only be carried along in a vertically rotating manner via a driver, so that the counter-pressure plate 22 can always be positioned over the tool 5, for example it can be positioned manually.

Das Tragmittel 21 zum Umpositionieren und/oder Umorientieren der vom Tragmittel 21 getragenen Abstützstelle 7 bzw. der Gegendrückplatte 22 kann wenigstens ein manuell verstellbares und arretierbares Gelenk 23 aufweisen.The support means 21 for repositioning and/or reorienting the support point 7 carried by the support means 21 or the counter-pressure plate 22 can have at least one manually adjustable and lockable joint 23 .

Sind seitliche also horizontale Prozesskräfte und Operationen erforderlich, so kann analog einer mitbewegten Decke eine mitbewegte Wand verwendetet werden. Diese wird stets so neben dem Werkzeug 5 gehalten, dass sich dieses an ihr abstützen kann, wie dies in 11 aufgezeigt ist. Dieser dem Roboterarm 8 parallel angeordnetem Kraftleitrahmen unterscheidet sich dadurch, dass er bei Krafteinwirkung durch das Werkzeug 5 verriegelt werden muss, um die Kraft auf das Grundgestell 9a übertragen zu können. Dieses wird dadurch erreicht, dass der Rahmen zweigeteilt aufgebaut ist, wobei zwei Schwenkgelenke 23.1 und 23.2 beide verbinden. Ein Mitnehmer 24 greift an dem Tragmittel 21 an und führt die Gegendrückplatte 22 stets der Roboterdrehbewegung nach. Wirkt eine Kraft, so verdreht sich das Tragmittel 21 leicht, beispielsweise um weniger als 20 Grad, insbesondere weniger als 10 Grad, insbesondere weniger als 5 Grad, bis ein Anschlag erreicht ist. Dadurch verriegelt ein Sperrelement vorzugsweise formschlüssig die Drehbewegung, sodass die Prozesskraft parallel zum Roboterarm 8 starr auf das Grundgestellt 9a übertragen wird.If lateral, i.e. horizontal, process forces and operations are required, a moving wall can be used analogously to a moving ceiling. This is always held next to the tool 5 in such a way that it can be supported on it, as is shown in 11 is shown. This force guide frame, which is arranged parallel to the robot arm 8, differs in that it kung must be locked by the tool 5 in order to transmit the force to the base frame 9a can. This is achieved in that the frame is constructed in two parts, with two swivel joints 23.1 and 23.2 connecting both. A driver 24 acts on the support means 21 and always guides the counter-pressure plate 22 to the robot's rotational movement. If a force acts, the suspension element 21 rotates slightly, for example by less than 20 degrees, in particular less than 10 degrees, in particular less than 5 degrees, until a stop is reached. As a result, a blocking element locks the rotational movement, preferably in a form-fitting manner, so that the process force is transmitted rigidly parallel to the robot arm 8 to the base frame 9a.

Soll die Gegendrückplatte 22 so klein wie möglich ausgeführt und trotzdem ein größerer Arbeitsbereich des Werkzeugs 5 ermöglicht werden, so kann diese auch in der Roboterebene passiv vom Roboterarm 8 mitgeführt werden, wie ein passives und gebremstes Exoskelett für Roboter. Dies wird ermöglicht, indem die Gelenke eine ebene Bewegung parallel zum Roboterarm 8 zulassen. Der eher distale Mitnehmer und der proximale Mitnehmer führen dabei den passiven Mechanismus, welcher durch ein Schwenkelement verriegelt werden kann (hier nicht dargestellt). Sollte jedoch auch eine Prozessrichtung gewünscht werden, die nicht senkrecht auf der Ebene des Kraftleitrahmens steht, z.B. durch Verkippen des Handgelenks, so müssen auch alle passiven Gelenke verriegelt werden. Hierzu kann der Gegendrückplatte 22 eine Auslöseplatte 25 vorgelagert sein (11), die bei Kontakt einen Mechanismus zur Verriegelung betätigt, z.B. über einen Bowdenzug. Wichtig ist, dass die Stützlager der Gelenke in Punkto Tragfähigkeit und Steifigkeit die Gelenklagerungen des Roboterarms 8 deutlich übertreffen.If the counter-pressure plate 22 is to be made as small as possible and still enable a larger working area of the tool 5, it can also be passively carried along by the robot arm 8 in the robot plane, like a passive and braked exoskeleton for robots. This is made possible by the fact that the joints allow a planar movement parallel to the robot arm 8 . The more distal driver and the proximal driver guide the passive mechanism, which can be locked by a swivel element (not shown here). However, if a process direction is desired that is not perpendicular to the plane of the force guide frame, eg by tilting the wrist, all passive joints must also be locked. For this purpose, the counter-pressure plate 22 can be preceded by a release plate 25 ( 11 ), which actuates a locking mechanism on contact, e.g. via a Bowden cable. It is important that the support bearings of the joints clearly exceed the joint bearings of the robot arm 8 in terms of load-bearing capacity and rigidity.

Claims

Robot having a robot arm (8) with a plurality of links (13) and joints (14), the links (13) being connected to form a kinematic chain by the joints (14) so that they can be adjusted in relation to one another, and one of the links (13) having a fastening flange (13a) on which a tool (5) is mounted, the tool (5) being designed to apply a linear process force generated by the tool (5) to a workpiece (6) to be machined by the tool (5), the tool (5) has a support device (15) which is designed to introduce a linear reaction force resulting from the action of the tool (5) on the workpiece (6) by the linear process force into a support point (7) in the vicinity of the robot arm (8) that is different from the movable limbs (13) and joints (14) of the robot arm (8),characterizedthat the support device (15) comprises a holder which is designed to mount the tool (5) on the fastening flange (13a) of the robot arm (87) by means of a passively adjustable bearing which passively adjustably mounts the tool (5) relative to the fastening flange (13a) in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, the holder having a linear guide (17) which has guide means (18) fastened to the fastening flange (13a) and a guide means (18) on the Guide means (18) has sliding means (19) which can be passively adjusted in the direction of the process force and in the direction of the reaction force, to which the tool (5) is attached.

robot after claim 1 , characterized in that the robot comprises a control device which is designed and set up to automatically control the joints (14) of the robot arm (8) in a force/torque-controlled manner, namely in a compliance control, in which the link (13) of the robot arm (8) having the fastening flange (13a) deflects against the direction of the process force in order to prevent or at least reduce the introduction of the linear reaction force into the robot arm (8).

robot after claim 1 , characterized in that the tool (5) and/or the passively adjustable sliding means (19) has a coupling means (12) which is designed to couple the tool (5) to the support point (7) in the vicinity of the robot arm (8) in such a way that the linear reaction force acting against the direction of the process force is introduced into the support point (7) when the process force acts on the workpiece (6).

robot after claim 3 , characterized in that the coupling means (12) has a passively adjustable swivel joint (20), in particular a passively adjustable, trivalent swivel joint (20), which is designed to adapt a contact surface of the coupling means (12) to the alignment of the support point (7) in that the reaction force transmitted from the coupling means (12) to the support point (7) adjusts the swivel joint (20).

robot after one claim 3 or 4 , characterized in that the holder or the tool (5) has an additional support means (4) for the coupling means (12), which is designed to support the tool (5) in a counter-support direction acting opposite to the support direction of the coupling means (12) at a counter-support point.

robot after one of the claims 3 until 5 , characterized in that the holder is a Spring means (11), which is designed to keep the tool (5) passively adjustable in the direction of the process force and in the direction of the reaction force relative to the fastening flange (13a) in a central basic position, so that the tool (5) can be reset from the central basic position and can be linearly deflected against the spring force of the spring means (11).

robot after one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the robot arm (8) has a support means (21) which is separate from the links (13) and the joints (14) of the robot arm (8), which supports the support point (7) and which is designed to introduce a reaction force introduced into the support point (7) via the support device (15) via the support means (21) into a base frame (9a) of the robot arm (8).

robot after claim 7 , characterized in that the carrying means (21) has at least one manually adjustable and lockable joint (23) for repositioning and/or reorienting the support point (7) carried by the carrying means (21).