DE102021113355A1 - Parallel robot system and a method for operating one - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Parallelroboter-System (10), mit einer Endeffektor-Plattform (12) mit mehreren Seilen (14a - 14h), die an je einer Seilwinde and der Endeffektor-Plattform (12) aufrollbar sind, wobei die Endeffektor-Plattform (12) Antriebe (16a - 16h) aufweist zum Antreiben der Seilwinden derart, dass die frei verfügbare Seillänge veränderbar ist, wobei das Parallelroboter-System (10) ferner aufweist: mehrere mobile Ankerpunkte (18a - 18h) zum Befestigen des distalen Endes eines jeden Seils (14a - 14h), ein Einmesssystem zum Bestimmen der Position der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) im Raum, eine Steuerung, die ausgebildet ist zum Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) auf Basis der Positionen der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) und der frei verfügbaren Seillänge einer jeder der mehreren Seilwinden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Parallelroboter-Systems.The invention relates to a parallel robot system (10) with an end effector platform (12) with a plurality of cables (14a - 14h) which can each be rolled up on a cable winch on the end effector platform (12), the end effector platform ( 12) Drives (16a - 16h) for driving the cable winches in such a way that the freely available cable length can be changed, the parallel robot system (10) also having: a plurality of mobile anchor points (18a - 18h) for fastening the distal end of each cable (14a - 14h), a calibration system for determining the position of the multiple anchor points (18a - 18h) in space, a controller that is designed to determine the position of the end effector platform (12) on the basis of the positions of the multiple anchor points (18a - 18h) and the freely available rope length of each of the several winches. The invention also relates to a method for operating a parallel robot system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Parallelroboter-System sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.The invention relates to a parallel robot system and a method for operating such a system.

Aus dem Stand der Technik sind parallele seilgeführte Roboter bekannt, die als Cable-Driven Parallel Robots (CDPR) bezeichnet werden. Durch mehrere ortsfeste Winden werden Seile geführt, an denen eine Endeffektor-Plattform befestigt ist. Durch eine Aktuierung der Seilwinden können sehr dynamische Bewegungen der Plattform erreicht werden. Durch eine geeignete Platzierung der Winden kann ein sehr großer Arbeitsraum erreicht werden, was eine Vielzahl von möglichen Anwendungen erlaubt.Parallel cable-guided robots are known from the prior art, which are referred to as cable-driven parallel robots (CDPR). Cables are guided through several stationary winches, to which an end effector platform is attached. Very dynamic movements of the platform can be achieved by actuating the cable winches. By placing the winches appropriately, a very large working space can be achieved, which allows a multitude of possible applications.

Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

  • CDPRs: Cable-Driven Parallel Robots: Theory and Application, Andreas Pott (2018)
  • Mobile CDPRs: Tension Distribution Algorithm for Planar Mobile Cable-Driven Parallel Robots, Rasheed et al. (2018).
Information on the state of the art can be found in the following publications:
  • CDPRs: Cable-Driven Parallel Robots: Theory and Application, Andreas Pott (2018)
  • Mobile CDPRs: Tension Distribution Algorithm for Planar Mobile Cable-Driven Parallel Robots, Rasheed et al. (2018).

Nachteilig an derartigen Systemen ist, dass sie durch die schweren Winden und Seilführungen nicht mobil einsetzbar sind.The disadvantage of such systems is that they cannot be used in a mobile manner due to the heavy winches and cable guides.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Parallelroboter-System bereitzustellen, das flexibler eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide a parallel robot system that can be used more flexibly.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6. The object is achieved according to the invention by the features of claims 1 and 6.

Das erfindungsgemäße Parallelroboter-System weist eine Endeffektor-Plattform mit mehreren Seilen auf, die an jeweils einer Seilwinde an der Endeffektor-Plattform aufrollbar sind. Ferner weist die Endeffektor-Plattform Antriebe zum Antreiben der Seilwinden auf, sodass die frei verfügbare Seillänge veränderbar ist. Unter der frei verfügbaren Seillänge wird die Länge des Seils verstanden, das nicht auf der Winde aufgerollt ist und das somit die Verbindungen zwischen der Endeffektor-Plattform und den Ankerpunkten bildet. Das Parallelroboter-System weist mehrere solcher mobiler Ankerpunkte zum Befestigen des distalen Endes eines jeden Seils auf.The parallel robot system according to the invention has an end effector platform with a plurality of cables which can each be rolled up on a cable winch on the end effector platform. Furthermore, the end effector platform has drives for driving the cable winches, so that the freely available cable length can be changed. The free rope length is understood to be the length of rope that is not coiled on the winch and thus forms the connections between the end effector platform and the anchor points. The parallel robot system has several such mobile anchor points for attaching the distal end of each cable.

Das erfindungsgemäße Parallelroboter-System weist ferner ein Einmesssystem zum Bestimmen der Position der mehreren Ankerpunkte im Raum auf sowie ferner eine Steuerung die ausgebildet ist zum Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform auf Basis der Positionen der mehreren Ankerpunkte und der frei verfügbaren Seillänge an jeder der mehreren Seilwinden.The parallel robot system according to the invention also has a calibration system for determining the position of the multiple anchor points in space and also a controller that is designed to determine the position of the end effector platform based on the positions of the multiple anchor points and the freely available rope length at each of the multiple winches.

Erfindungsgemäß weist somit die Endeffektor-Plattform selbst Antriebe, Seilwinden und Seile auf, deren distale Enden an den mobilen Ankerpunkten befestigt werden. Die mobilen Ankerpunkte können somit sehr einfach ausgestaltet sein und beispielsweise nur aus einem Haken oder einer Öse bestehen, die sehr einfach am Anwendungsort an geeigneter Stelle platziert werden kann. Das erfindungsgemäße Parallelroboter-System kann somit sehr mobil und flexibel eingesetzt werden, da es lediglich notwendig ist, die Ankerpunkte an verschiedenen Stellen im Raum zu platzieren. Dies erfolgt, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt, in Abhängigkeit vom gewünschten Arbeitsraum und der zu erfüllenden Aufgabe. Dann wird erfindungsgemäß durch das Einmesssystem die Position der mehreren Ankerpunkte im Raum bestimmt.According to the invention, the end effector platform itself has drives, cable winches and cables, the distal ends of which are attached to the mobile anchor points. The mobile anchor points can thus be designed very simply and consist, for example, of just a hook or an eyelet, which can be placed very easily at a suitable point at the application site. The parallel robot system according to the invention can thus be used in a very mobile and flexible manner, since it is only necessary to place the anchor points at different points in space. As is already known from the prior art, this takes place as a function of the desired workspace and the task to be performed. According to the invention, the position of the multiple anchor points in space is then determined by the calibration system.

Bevorzugt sind die Seile lösbar, insbesondere durch Schraub- oder Schnappverbindungen, mit den mobilen Ankerpunkten verbunden. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Parallelroboter-System noch flexibler eingesetzt werden.The ropes are preferably detachably connected to the mobile anchor points, in particular by screw or snap connections. As a result, the parallel robot system according to the invention can be used even more flexibly.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Endeffektor-Plattform acht Seile und acht Seilwinden aufweist, sodass hierdurch alle Positionen im Zielarbeitsraum erreicht werden können. Diese Merkmale sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Furthermore, it is preferred that the end effector platform has eight cables and eight cable winches, so that all positions in the target workspace can be reached in this way. These features are known from the prior art and are therefore not explained in more detail.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Einmesssystem ein Absteckgerät mit einem Laser ist (z.B.
https://www.hilti.de/c/CLS MEA TOOL INSERT 7127/CLS CONSTRUCTION TOTAL STATIONS 7127/r4728599). Vorteilhaft hieran ist, dass ein solches Absteckgerät auf vielen Baustellen bereits verfügbar ist und somit kein gesondertes Mess-System vorgesehen sein muss. Alternativ ist jedes Messmittel geeignet, welches 3D Punkte einmessen kann (z.B. auch Tracking-Systeme, Stereo-Kameras, etc.).It is also preferred that the calibration system is a setting-out device with a laser (e.g
https://www.hilti.de/c/CLS MEA TOOL INSERT 7127/CLS CONSTRUCTION TOTAL STATIONS 7127/r4728599). The advantage of this is that such a setting-out device is already available on many construction sites and therefore no separate measuring system has to be provided. Alternatively, any measuring device that can measure 3D points is suitable (e.g. tracking systems, stereo cameras, etc.).

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Seile durch die Antriebe vollständig auf die Seilwinden aufrollbar sind. Hierdurch kann die Endeffektor-Plattform leichter transportiert werden.It is also preferred that the cables can be rolled up completely onto the cable winches by the drives. This allows the end effector platform to be transported more easily.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Parallelroboter-Systems, insbesondere wie es in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist. Das Verfahren kann sämtliche Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweisen, sowie umgekehrt. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

  1. a Verbinden der distalen Enden von mehreren Seilen (14a - 14h) mit je einem mobilen Ankerpunkt (18a - 18h)
  2. b Bestimmen der Position der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) im Raum
  3. c Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) auf Basis der Positionen der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) und der frei verfügbaren Seillänge an jeder der mehreren Seilwinden.
The invention also relates to a method for operating a parallel robot system, in particular as described in the present application. The method can have all the features of the device according to the invention, and vice versa. The procedure comprises the following procedural steps:
  1. a Connecting the distal ends of several ropes (14a - 14h) each with a mobile anchor point (18a - 18h)
  2. b Determining the position of the multiple anchor points (18a - 18h) in space
  3. c determining the position of the end effector platform (12) based on the positions of the multiple anchor points (18a-18h) and the free length of rope on each of the multiple winches.

Es ist bevorzugt, dass das Verfahren ferner die folgenden zusätzlichen Schritte umfasst:

  • Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) durch ein Einmesssystem
  • Kalibrieren des Parallelroboter-Systems (10) auf Basis der ermittelten Positionen der Endeffektor-Plattform (12).
It is preferred that the method further comprises the following additional steps:
  • Determining the position of the end effector platform (12) using a calibration system
  • Calibrating the parallel robot system (10) based on the determined positions of the end effector platform (12).

Weiterhin ist es bevorzugt, dass auf Basis der bekannten Seilkräfte, Interaktionskräfte und -momente am End-Effektor bestimmt werden. Im Allgemeinen sind zwar die Seilkräfte sehr groß, was die detektierbaren Kräfte am End-Effektor einschränkt. Trotzdem kann beispielsweise bei Interaktionen mit großen Kräften, zum Beispiel bei Verwendung von schweren Werkzeugen wie Bohrmaschinen oder ähnliches, eine Bestimmung der Interaktionskräfte und -momente und ferner eine Kraftregelung erfolgen.Furthermore, it is preferred that interaction forces and interaction moments at the end effector are determined on the basis of the known cable forces. In general, the rope forces are very high, which limits the detectable forces at the end effector. Nevertheless, for example in the case of interactions with large forces, for example when using heavy tools such as drills or the like, the interaction forces and moments can be determined and the force can also be regulated.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to figures.

Es zeigen:

  • 1: Einen parallelen seilgeführten Roboter, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist
  • 2: Ein portables Parallelroboter-System gemäß der vorliegenden Erfindung
  • 3a - 3d: Verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Parallelroboter-Systems
  • 4a und 4b: Die Befestigung der Seile an den mobilen Ankerpunkten
  • 5: Die erfindungsgemäße Endeffektor-Plattform mit aufgerollten Seilen
Show it:
  • 1 : A parallel cable-guided robot as known from the prior art
  • 2 : A portable parallel robot system according to the present invention
  • 3a - 3d : Various configurations of the parallel robot system according to the invention
  • 4a and 4b : The attachment of the ropes to the mobile anchor points
  • 5 : The end effector platform according to the invention with coiled ropes

Das aus dem Stand der Technik bekannte Parallelroboter-System gemäß 1 weist eine Endeffektor-Plattform 12 auf, die an mehreren Seilen 14a, 14b, ... festigt. Deren distale Enden sind an jeweils einer der acht Ecken eines quaderförmigen Rahmens 20 befestigt. An jeder Ecke weist der Rahmen einen Servomotor 24 als Antrieb sowie eine Getriebe 22 auf, über die die Seile 14a, 14b, ... angetrieben werden.The parallel robot system known from the prior art according to 1 has an end effector platform 12 which is attached to a plurality of cables 14a, 14b, ... . Their distal ends are each attached to one of the eight corners of a cuboid frame 20 . At each corner, the frame has a servo motor 24 as a drive and a gear 22, via which the cables 14a, 14b, ... are driven.

Im Gegensatz hierzu weist die erfindungsgemäße Roboter-Plattform selbst die Antriebe 16a - 16h sowie die Seile 14a - 14h auf. Die Ankerpunkte 18a - 18h sind als mobile Ankerpunkte ausgebildet und können je nach gewünschter Anwendung an verschiedenen Stellen im Raum platziert werden (siehe hierzu unterschiedliche Möglichkeiten gemäß 3a - 3d). In diesen Figuren sind die der hinteren Wand zugewandten Seile zur besseren Unterscheidbarkeit gestrichelt dargestellt.In contrast to this, the robot platform according to the invention itself has the drives 16a-16h and the cables 14a-14h. The anchor points 18a - 18h are designed as mobile anchor points and can be placed at different points in the room depending on the desired application (see different options according to 3a - 3d ). In these figures, the cables facing the rear wall are shown in dashed lines for better differentiation.

Die distalen Enden der Seile 14a - 14h können durch Karabinerhaken 26 lösbar mit den mobilen Ankerpunkten verbunden sein (siehe 4a und 4b).The distal ends of the cables 14a-14h may be releasably connected to the mobile anchor points by snap hooks 26 (see Fig 4a and 4b ).

Für eine Vereinfachung des Transports der Endeffektor-Plattform können die Seile 14a - 14h vollständig auf die Seilwinden aufgerollt werden, sodass lediglich die Seilenden aus der Endeffektor-Plattform 12 herausragen.In order to simplify the transport of the end effector platform, the ropes 14a - 14h can be rolled up completely onto the rope winches so that only the rope ends protrude from the end effector platform 12 .

In allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedenste Endeffektoren mit der Endeffektor-Plattform verbunden werden, beispielsweise verschiedene Werkzeuge, Sensoren, Kamera, Transportbehälter und ähnliches. Alle diese Komponenten werden erfindungsgemäß als Endeffektor verstanden.In all embodiments of the device according to the invention, a wide variety of end effectors can be connected to the end effector platform, for example various tools, sensors, cameras, transport containers and the like. According to the invention, all of these components are understood as end effectors.

Claims (8)

Parallelroboter-System (10), mit einer Endeffektor-Plattform (12) mit mehreren Seilen (14a - 14h), die an je einer Seilwinde and der Endeffektor-Plattform (12) aufrollbar sind, wobei die Endeffektor-Plattform (12) Antriebe (16a - 16h) aufweist zum Antreiben der Seilwinden derart, dass die frei verfügbare Seillänge veränderbar ist, wobei das Parallelroboter-System (10) ferner aufweist: mehrere mobile Ankerpunkte (18a - 18h) zum Befestigen des distalen Endes eines jeden Seils (14a - 14h), ein Einmesssystem zum Bestimmen der Position der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) im Raum, eine Steuerung, die ausgebildet ist zum Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) auf Basis der Positionen der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) und der frei verfügbaren Seillänge einer jeder der mehreren Seilwinden.Parallel robot system (10), with an end effector platform (12) with several ropes (14a - 14h), which can each be rolled up on a rope winch on the end effector platform (12), wherein the end effector platform (12) has drives (16a - 16h) for driving the cable winches in such a way that the freely available cable length can be changed, wherein the parallel robot system (10) further comprises: multiple mobile anchor points (18a - 18h) for attaching the distal end of each cable (14a - 14h), a calibration system for determining the position of the multiple anchor points (18a - 18h) in space, a controller configured to determine the position of the end effector platform (12) based on the positions of the multiple anchor points (18a - 18h) and the freely available cable length of each of the multiple cable winches. Parallelroboter-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (14a - 14h) lösbar, insbesondere durch Schraub- oder Schnappverbindungen, mit den mobilen Ankerpunkten (18a - 18h) verbunden sind.parallel robot system claim 1 , characterized in that the ropes (14a - 14h) are detachably connected, in particular by screw or snap connections, to the mobile anchor points (18a - 18h). Parallelroboter-System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endeffektor-Plattform (12) acht Seile (14a - 14h) und acht Seilwinden aufweist.Parallel robot system according to one of the Claims 1 or 2 , characterized , that the end effector platform (12) has eight ropes (14a - 14h) and eight winches. Parallelroboter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einmesssystem ein Baustellenlaser ist.Parallel robot system according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the calibration system is a construction site laser. Parallelroboter-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (14a - 14h) durch die Antriebe (16a - 16h) vollständig auf die Seilwinden aufrollbar sind.Parallel robot system according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the cables (14a - 14h) can be completely rolled up onto the cable winches by the drives (16a - 16h). Verfahren zum Betreiben eines Parallelroboter-Systems (10), insbesondere ein Parallelroboter-System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: a Verbinden der distalen Enden von mehreren Seilen (14a - 14h) mit je einem mobilen Ankerpunkt (18a - 18h) b Bestimmen der Position der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) im Raum c Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) auf Basis der Positionen der mehreren Ankerpunkte (18a - 18h) und der frei verfügbaren Seillänge an jeder der mehreren Seilwinden.Method for operating a parallel robot system (10), in particular a parallel robot system (10) according to one of Claims 1 until 5 , the method being characterized by the following steps: a connecting the distal ends of a plurality of cables (14a - 14h) each with a mobile anchor point (18a - 18h) b determining the position of the plurality of anchor points (18a - 18h) in space c determining the position of the end effector platform (12) based on the positions of the multiple anchor points (18a-18h) and the free length of rope on each of the multiple winches. Verfahren zum Betreiben eines Parallelroboter-Systems (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den folgenden zusätzlichen Schritt: Bestimmen der Position der Endeffektor-Plattform (12) durch ein Einmesssystem Kalibrieren des Parallelroboter-Systems (10) auf Basis der ermittelten Positionen der Endeffektor-Plattform (12).Method for operating a parallel robot system (10). claim 6 , characterized by the following additional step: determining the position of the end effector platform (12) by a calibration calibration of the parallel robot system (10) based on the determined positions of the end effector platform (12). Verfahren zum Betreiben eines Parallelroboter-Systems (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der bekannten Seilkräfte Interaktionskräfte und -momente am End-Effektor bestimmt werden.Method for operating a parallel robot system (10) according to one of Claims 6 or 7 , characterized in that interaction forces and moments are determined on the end effector on the basis of the known cable forces.
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