DE102021208632A1

DE102021208632A1 - Ausgleichsvorrichtung für eine Handhabungseinrichtung sowie Handhabungseinrichtung mit der Ausgleichsvorrichtung

Info

Publication number: DE102021208632A1
Application number: DE102021208632.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rueb; Peter Schlegel; Michael Danzberger; Sebastian Siedler; Efim Kuhn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-09
Also published as: CN115703246A

Abstract

Ausgleichsvorrichtung (10) für eine oder einer automatischen Handhabungsvorrichtung mit einem ersten Schnittstellenabschnitt (20), einem zweiten Schnittstellenabschnitt (30), einer dazwischen gefügten, passiv wirkenden Versatzkompensationsvorrichtung und zumindest einer ersten Festhaltevorrichtung (K1) zum Festhalten oder Sperren der Versatzkompensationsvorrichtung. Dabei ist die Ausgleichsvorrichtung (10) schaltbar zwischen einem freien ersten Betriebszustand, in welchem die Ausgleichsvorrichtung (10) in mindestens drei aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden aus einer Ausgangsstellung in eine Ausgleichsstellung beweglich ist, und einem festgehaltenen zweiten Betriebszustand, in welchem alle Bewegungsfreiheitsgrade gesperrt sind, so dass der erste Schnittstellenabschnitt (20) und der zweite Schnittstellenabschnitt (30) fest miteinander verbunden sind. Dabei hat die Versatzkompensationsvorrichtung einen in einer zugehörigen Pfanne (22) des ersten Schnittstellenabschnitts (20) gelagerten Anker (40) mit einem Pendelstab (41), welcher sich durch eine Durchgangsbohrung in dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) in Richtung zum zweiten Schnittstellenabschnitt (30) erstreckt und mit dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) fest verbunden (42) und/oder verbindbar ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgleichsvorrichtung (bzw. ein Ausgleichsmodul, Kompensationsmodul) für eine Handhabungseinrichtung bzw. Roboteranordnung im technischen Gebiet der (Handlings-)Robotik bzw. Automatisierungstechnik bzw. der kartesischen Systeme. Ferner wird eine Handhabungseinrichtung mit der erfindungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung vorgeschlagen.
Solche Ausgleichsvorrichtungen werden, insbesondere bei Handlings- oder Fügeprozessen, zur Ausbildung einer unabhängigen (robotischen) Kinematik nach bis zu sechs aus den beschriebenen Bewegungsfreiheitsgraden (den translatorischen: TX, TY, TZ; den rotatorischen: RX, RY, RZ) verwendet, beispielsweise zur Handhabung (bzw. zum Handling), Verbindung und Positionierung handzuhabender Teile (bzw. eines Werkzeugs und/oder eines Werkstücks bzw. von Stückgut).
Stand der Technik
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausgleichsvorrichtung, wie beispielsweise in den Druckschriften DD 296 245 A5 sowie DE 102015214003 A1 offenbart, weist einen ersten Schnittstellenabschnitt für einen Manipulator und einen zweiten Schnittstellenabschnitt für einen Endeffektor auf, so dass die Ausgleichsvorrichtung zwischen dem Manipulator und dem Endeffektor anordenbar ist, mit mindestens einer Gelenkeinrichtung.
Beispielsweise US 5964124 offenbart eine mittels einer zentralen Feder vorgespannte Ausgleichsvorrichtung. Die Feder bewirkt, dass sich die Ausgleichsvorrichtung bei Wegfall einer dieser auslenkenden Kraft zwangsläufig in eine Nullstellung zurückbewegt.
Bereits die als nächstliegender Stand der Technik angesehene DE 102015214003 A1 der vorliegenden Anmelderin, die hiermit durch Verweis ausdrücklich zum Bestandteil der vorliegenden Offenlegungsschrift gemacht wird, offenbart eine gattungsgemäße Ausgleichsvorrichtung für eine Handhabungseinrichtung (sogenannter „Smart-End-Effektor“). Dabei weist die Ausgleichsvorrichtung für eine Handhabungseinrichtung einen ersten Schnittstellenabschnitt für einen Manipulator und einen zweiten Schnittstellenabschnitt für einen Endeffektor auf, so dass die Ausgleichsvorrichtung zwischen dem Manipulator und dem Endeffektor anordenbar/zwischenschaltbar ist. Zwischen den Schnittstellenabschnitten gleichen drei gesonderte, jeweils außermittig angeordnete Kugelsitze (Gelenkeinrichtungsbestandteile), welche in Ihrer Gesamtheit eine Gelenkeinrichtung ausbilden, deren relative Bewegungen (Manipulator versus Endeffektor) aus. Der jeweilige Gelenkeinrichtungsbestandteil weist einen ersten Gelenkpartner mit einem Kugelabschnitt und einen zweiten Gelenkpartner mit einem zugehörigen Aufnahmeabschnitt für den Kugelabschnitt auf, so dass der jeweilige Gelenkeinrichtungsbestandteil ein Schwenkgelenk oder ein Kugelgelenk bildet. Dabei umfasst der Aufnahmeabschnitt mindestens einen Rampenbereich, wobei der Kugelabschnitt von einer Normallage in einer Querrichtung zu der ersten Achse in eine Ausgleichslage verschiebbar ist, so dass die Gelenkeinrichtung insgesamt ein Verschiebegelenk bildet.
Kurzbeschreibung der Erfindung
In Anbetracht des vorstehend beschriebenen Stands der Technik soll die vorliegende Erfindung eine verbesserte gattungsgemäße Ausgleichsvorrichtung bereitstellen. Dies wird durch eine Ausgleichsvorrichtung für eine oder einer Handhabungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Handhabungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 erreicht. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Die Ausgleichsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist zur Anordnung zwischen einem Manipulator (d.h. auf der Roboter-Seite) und einem Endeffektor (d.h. auf der Werkzeug-Seite bzw. Greifer-Seite) einer Handhabungseinrichtung eingerichtet.
Die Handhabungseinrichtung gemäß einem weiteren ggf. bevorzugten Aspekt der Erfindung hat einen Manipulator, wie zum Beispiel einen Roboter, insbesondere einen Knickarmroboter, einen kartesischen Roboter, einen Pick-and-Place-Roboter, etc., sowie einen Endeffektor, wie zum Beispiel einen Greifer. In einem eingebauten Zustand ist die Ausgleichsvorrichtung zwischen dem Manipulator und dem Endeffektor insbesondere sequenziell angeordnet. Im Speziellen wird der Endeffektor über die Ausgleichsvorrichtung von dem Manipulator getragen. Funktional betrachtet ist die Handhabungseinrichtung durch die Ausgleichsvorrichtung in der Lage, ein fehlpositioniertes Werkstück oder Werkzeug (externes Objekt) mit dem Endeffektor zu greifen, indem der Endeffektor in der Lage relativ zu dem Manipulator durch die Ausgleichsvorrichtung passiv geändert wird. D.h., die Ausgleichsvorrichtung hat keinen internen Antrieb, sondern wird über den Effektor dann aktuiert, wenn dieser gegen das externe Objekt auffährt und an diesem abgleitet.
Die offenbarungsgemäße Ausgleichsvorrichtung weist bevorzugt einen ersten Schnittstellenabschnitt (bzw. einen Grundkörper) zur Anbindung an den Manipulator sowie weiter bevorzugt einen zweiten Schnittstellenabschnitt (bzw. einen Gegenkörper) zur Anbindung an den Endeffektor auf. Beispielsweise kann der erste Schnittstellenabschnitt über eine Schnellkupplung oder über eine Schraubverbindung an den Manipulator und der zweite Schnittstellenabschnitt über eine Schnellkupplung oder eine Schraubverbindung mit dem Endeffektor verbunden sein. Weiter beispielsweise kann der erste und/oder zweite Schnittstellenabschnitt jeweils auch als eine Baugruppe ausgebildet sein. Insbesondere kann der erste und/oder zweite Schnittstellenabschnitt jeweils einen Plattenabschnitt aufweisen (bzw. als ein solcher ausgebildet sein), wobei die (gegenüberliegenden) Plattenabschnitte zueinander verkippbar, verdrehbar und/oder verschiebbar angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Schnittstellenabschnitte in Richtung einer ersten Achse sequenziell oder hintereinander aufgereiht. Besonders bevorzugt ist die erste Achse als eine Z-Achse und/oder Höhenachse des Manipulators ausgebildet.
Die Ausgleichsvorrichtung ermöglicht eine Relativbewegung zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt in mehreren Bewegungsfreiheitsgraden. Der jeweilige Bewegungsfreiheitsgrad kann als einer der translatorischen Bewegungsfreiheitsgrade (TX, TY, TZ) und/oder als einer der rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrade (RX, RY, RZ) ausgebildet sein.
In einem freien ersten Betriebszustand ist die Ausgleichsvorrichtung (10) bevorzugt in mindestens drei, vorzugsweise allen, aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) aus einer Ausgangsstellung (bzw. Ausgangsposition, Ausgangslage/Konstruktionslage) in eine Ausgleichsstellung (ungleich der Konstruktionslage) beweglich. Insbesondere betrifft die Ausgangsstellung eine sogenannte Nullstellung (bzw. Nullposition, Null-Lage, Ursprungsstellung). Dabei impliziert der Begriff „beweglich“ auch die Rückbewegung zurück in die Ausgangsstellung. Somit kann der Endeffektor relativ zu dem Manipulator in den mehreren Bewegungsfreiheitsgraden bewegt werden, um Lage-Toleranzen z.B. bei Abgreif-, Positionier- und/oder Fügeaufgaben zu kompensieren.
Dabei ist die Ausgleichsvorrichtung weiter vorzugsweise eingerichtet, zwischen dem freien ersten Betriebszustand und einem festgehaltenen, bzw. geklemmten zweiten Betriebszustand (um)schaltbar zu sein. Insbesondere kann hierzu eine Steuereinheit vorgesehen und eingerichtet sein, die Ausgleichsvorrichtung (automatisch) zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand (hin und her) zu schalten.
Der festgehaltene, vorzugsweise geklemmte zweite Betriebszustand ist offenbarungsgemäß so definiert, dass in ihm alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) gesperrt (bzw. blockiert, nicht vorhanden, nicht freigegeben) sind. Demzufolge sind der erste Schnittstellenabschnitt und der zweite Schnittstellenabschnitt fest (bzw. unbeweglich), vorzugsweise steif, miteinander verbunden. Mit anderen Worten, sind in dem zweiten Betriebszustand die in dem ersten Betriebszustand bestehenden mindestens drei, vorzugsweise sechs, Bewegungsfreiheitsgrade der Ausgleichsvorrichtung vollständig gesperrt bzw. sperrbar (blockiert bzw. blockierbar). Damit ist die Ausgleichsvorrichtung vorteilhaft eingerichtet, um spontan bzw. (quasi) in Echtzeit von einem ersten Betriebszustand freier Beweglichkeit in einen zweiten Betriebszustand vollständiger Steifheit (und wieder zurück) umzuschalten (insbesondere dazu von einer, insb. der Handhabungseinrichtung zugehörigen, Steuereinheit angesteuert zu werden).
Die offenbarungsgemäße Ausgleichsvorrichtung hat (zur Darstellung der Beweglichkeit in den mindestens drei, vorzugsweise allen, aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden) ferner eine Versatzkompensationseinrichtung in etwa nach Art einer (einzigen) Gelenkeinrichtung.
Die (eine) Versatzkompensationseinrichtung ist gleichgerichtet (bzw. im Wesentlichen parallel) zu einer Längs-/Mittelachse der Ausgleichsvorrichtung Achse (bzw. einer Höhenachse, Z-Achse) ausgerichtet. Die (eine) Versatzkompensationseinrichtung ist zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt eingerichtet, um (dazwischen) bevorzugt ein Schwenkgelenk oder Kugelgelenk auszubilden.
Offenbarungsgemäß ist die (eine) Versatzkompensationseinrichtung vorzugsweise als eine einzige Gelenkeinrichtung zentral ausgebildet. Dabei ist die (eine) Versatzkompensationseinrichtung auf einer Mittelachse ausgebildet, welche zu der ersten Achse (Z-Achse) gleich, gleichgerichtet bzw. parallel ist. Der Fall der Gleichheit bedeutet, dass die Mittelachse mit der ersten Achse zusammenfällt.
Dabei weist die Versatzkompensationseinrichtung einen (einzigen) in einer zugehörigen (Kugelgelenk-)Pfanne des ersten Schnittstellenabschnitts gelagerten Anker insbesondere in Form eines sphärischen oder kegeligen Körpers (nachfolgend einfach als Kugel bezeichnet) auf. Mit anderen Worten, ist die einzige, zentrale Kugel in einem (zugehörigen) Aufnahmeabschnitt des ersten Schnittstellenabschnitts kugelgelenkartig gelagert bzw. (im ersten Betriebszustand) beweglich angeordnet.
Die Kugel hat einen Pendelstab (nachfolgend auch als Ausleger/Stift/Zapfen bezeichnet) bzw. ist mit einem solchen fest verbunden. Dabei erstreckt sich der Ausleger länglich (bzw. stiftförmig) von der Kugel durch eine Durchgangsbohrung oder Ausnehmung in dem ersten Schnittstellenabschnitt in Richtung hin zum zweiten Schnittstellenabschnitt. In anderen Worten ausgedrückt, ist die Versatzkompensationseinrichtung mit der Kugel und dem Ausleger durch den ersten Schnittstellenabschnitt derart durchgesteckt, dass die Kugel auf einer Manipulator-seitigen Seite des ersten Schnittstellenabschnitts und der Ausleger auf einer Endeffektor-seitigen Seite des ersten Schnittstellenabschnitts angeordnet ist. Insbesondere kann dabei die Ausnehmung in dem ersten Schnittstellenabschnitt derart (bzw. mit ausreichend großem Durchmesser) ausgebildet sein, um eine rotatorische Schwenkbewegung bzw. pendelartige Verschwenkbarkeit des Auslegers aus der Ausgangsstellung, insb. der Nullstellung, um einen Schwenkwinkel zu der ersten Achse zu erlauben. Bspw. kann der Schwenkwinkel (in Manipulator-seitiger Richtung) bis zu 40 Winkelgrad, vorzugsweise bis zu 30 Winkelgrad betragen.
Bspw. kann zur Verbindung des Auslegers mit der Kugel der Ausleger in diese (bzw. in eine in der Kugel vorgesehene Bohrung) eingefügt bzw. eingepasst sein, vorzugsweise pressgepasst und/oder geklebt und/oder bezogen auf einen Querschnitt formschlüssig. Alternativ können die Kugel und der Ausleger integral gefertigt, bspw. in Weise eines gedrehten oder erodierten Teils, sein. Insbesondere kann die Kugel mit dem Ausleger in einem in der Kugelgelenkpfanne anliegend gelagerten Zustand alle sechs Bewegungsfreiheitgrade aufweisen. Dabei ist die translatorische Bewegung in der ersten Achse (bzw. Z-Achse, Höhenachse) in Richtung des zweiten Schnittstellenabschnitts aufgrund der (Manipulator-seitig offenen) Kugelgelenkpfanne beschränkt (bzw. in dazu entgegengesetzter Richtung nur in einem Manipulator-seitigen Halbraum möglich).
vorzugsweise sind der Ausleger der Kugel und der zweite Schnittstellenabschnitt miteinander fest verbunden und/oder verbindbar. In dem einen Falle der festen Verbindung kann bspw. der längliche (bzw. stiftförmige) Ausleger dazu in eine entsprechende Bohrung des zweiten Schnittstellenabschnitts eingefügt bzw. eingepasst sein. Im anderen Falle der Verbindbarkeit kann die Verbindung eines in dem zweiten Schnittstellenabschnitt beweglich geführten, insb. in Richtung der Mittelachse längsbeweglichen, Auslegers mittels einer schaltbaren Festhalte- bzw. Klemmeinrichtung auch außerhalb der Nullstellung bewirkt werden.
Die offenbarungsgemäße Ausgleichsvorrichtung weist ferner in bevorzugter Weise zumindest eine erste Festhalte- oder Klemmvorrichtung zum Festhalten oder Klemmen des Ankers auf. Insbesondere dient das Festhalten des Ankers dazu, den festgehaltenen/geklemmten zweiten Betriebszustand gemäß vorstehender Definition herbeizuführen.
Das dient vorteilhaft dazu, Ungenauigkeiten vom Roboter auszugleichen. Bspw. würde der Roboter in programmierter Weise an eine Zielposition heranfahren, um ein Werkzeug (unter Bezugnahme auf 1: Bezugszeichen 9) in eine dem Werkzeug zugehörige Werkzeugaufnahme bzw. Bohrung einzusetzen. Dazu tastet der Roboter die Bohrung an. Im Rahmen dieser Antastung kann die Ausgleichsvorrichtung aus ihrer Nullstellung quasi heraus federn. Die Erfindung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise, dass ein Festhalten bzw. Klemmen in jeder beliebigen Auslenkung bzw. Winkelstellung des Auslegers zu der ersten Achse (bzw. Z-Achse, Höhenachse) erfolgen kann. Dazu dient die zumindest eine Festhalte-/Klemmvorrichtung, insb. die erste Festhalte-/Klemmvorrichtung.
Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung eine besonders einfache und damit kostengünstige technische Lösung bereit, welche gleichzeitig weiterhin die erforderlichen Produktqualitäten hinsichtlich der robotischen Anwendungen in hohem Maße beibehält. Insbesondere erfüllt die vorgeschlagene Lösung technische Erfordernisse wie Robustheit, Flexibilität, schnelles Ansprechverhalten, Präzision der Robotik in hohem Maße.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die zumindest eine erste Festhalte-/ Klemmvorrichtung, insbesondere fest, an dem ersten Schnittstellenabschnitt angeordnet sein. Dabei kann die zumindest eine erste Festhalte-/Klemmvorrichtung mit einem verstellbaren ersten Klemmabschnitt (Stempel) eingerichtet sein, um den Anker/die Kugel in der (Kugelgelenk-)Pfanne des ersten Schnittstellenabschnitts in der Ausgangsstellung und/oder in der Ausgleichsstellung fest zu klemmen. Insbesondere kann dabei der erste Klemmabschnitt entlang der ersten Achse, insbesondere der Mittelachse, verstellbar ausgebildet sein.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Versatzkompensationseinrichtung bei Festhalten/Klemmen in den zweiten Betriebszustand eingerichtet sein, den Ausleger zu sperren. Dabei wird der Ausleger, wenn er sich in dem zweiten Betriebszustand (bzw. kurz vor bzw. im Zeitpunkt des Festhaltens/Klemmens in den zweiten Betriebszustand) in der Ausgangsstellung, insbesondere Nullstellung, befindet (bzw. angeordnet ist), in einer Lage entlang der Mittelachse gesperrt. Alternativ oder kumulativ wird der Ausleger, wenn er sich in dem zweiten Betriebszustand (bzw. kurz vor bzw. im Zeitpunkt des Festhaltens /Klemmens in den zweiten Betriebszustand) in der Ausgleichsstellung, befindet (bzw. angeordnet ist), in einer zu der Mittelachse um einen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad (RX, RY) verschwenkten Lage gesperrt. Dabei kann die Sperrung insbesondere in einer innerhalb der Durchgangsbohrung des zweiten Schnittstellenabschnitts verschwenkten Lage erfolgen.
Insbesondere, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung durch ein diese in der Richtung der ersten Achse (Z-Achse) vorspannendes Vorspannelement, bspw. eine Feder, vorgespannt sein. Dabei ist das Vorspannelement eingerichtet (bzw. bewirkt), dass die Ausgleichsvorrichtung aus der Ausgleichsstellung in die Ausgangsstellung, insbesondere in eine vorgespannte Nullstellung, zurückgeführt wird. Dazu ist das Vorspannelement zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt zur Vorspannung der Ausgleichsvorrichtung in der Richtung der ersten Achse, insbesondere der Mittelachse, angeordnet. Insbesondere bewirkt dies den Vorteil, dass die Ausgleichsvorrichtung in einer Ausgangsstellung, insb. Nullstellung, (vollständig) festhaltbar/klemmbar ist. Wenn die Festhalteeinrichtung offen ist, ist die Ausgleichsvorrichtung eingerichtet, federnd aus der Ausgangsstellung, insb. Nullstellung, heraus verlagerbar zu sein. Dabei bewegen die Vorspannelemente, bspw. Federn, die Ausgleichsvorrichtung in die Ausgangsstellung, insb. Nullstellung, zurück, wenn keine äußere Kraft auf die Ausgleichsvorrichtung wirkt.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann dabei das Vorspannelement von dem Ausleger durchsetzt sein. Bspw. kann der längliche Ausleger von einer (an diesem) anliegenden oder (zu diesem) innenseitig beabstandeten Feder zylindrischer Dimension, wie einer Spiralfeder oder Wellenfeder, umgeben bzw. umwunden sein. Insbesondere kann es bevorzugt sein, dass das Vorspannelement um den bzw. zu dem Ausleger derart angeordnet ist, dass das Vorspannelement und der Ausleger zueinander eine, reibschlüssige und/oder formschlüssige, drehfeste Verbindung auszubilden. Dazu können die jeweiligen Querschnitte bzw. Konturen (bspw. polygonförmig, sternförmig) ausgebildet sein, um ineinander komplementär und/oder formschlüssig einzugreifen.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann das Vorspannelement an seinem einen (Manipulator-seitigen) Ende mit dem ersten Schnittstellenabschnitt, insbesondere an einem Endeffektor-seitigen Bereich wie einem ersten Zentrierfortsatz, drehfest angeordnet, insbesondere fest verbunden, sein. Alternativ, insbesondere kumulativ, kann das Vorspannelement und an seinem anderen (Endeffektor-seitigen) Ende mit dem zweiten Schnittstellenabschnitt, insbesondere an einem Manipulator-seitigen Bereich wie einem zweiten Zentrierfortsatz, drehfest angeordnet, insbesondere fest verbunden, sein. Dabei ist das Vorspannelement eingerichtet (bzw. bewirkt), dass die Ausgleichsvorrichtung aus einer um die Mittelachse verdrehte Ausgleichsstellung in die Ausgangsstellung, insbesondere in die vorgespannte Nullstellung, zurückgeführt wird. Letzteres wird insbesondere durch eine drehfeste Verbindung an beiden Enden des Vorspannelementes bewirkt, insofern durch die bei Einwirken einer (Tangential-)Kraft auf das in der Ausgleichsvorrichtung aufgespannte Vorspannelement sich dieses innerlich verdreht (TR). Demzufolge kann dann ein rückstellendes Drehmoment um die erste Achse (Z), insbesondere die Mittelachse, eine rotatorische Rückstellung bewirken. Weiter vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann das Vorspannelement ausgebildet sein, eine (rückstellende) Drehung um die X-/Y-Achse (TX, TY) zu ermöglichen bzw. zu bewirken. Vorzugsweise kann das Vorspannelement (bspw. Wellenfeder) über den (bzw. mittels des) ersten Zentrierfortsatz(es) an dem ersten Schnittstellenabschnitt und/oder über den zweiten Zentrierfortsatz an dem zweiten Schnittstellenabschnitt quer zum Ausleger jeweils, insbesondere formschlüssig, gehalten sein. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise eine Federwirkung quer zum Ausleger (X-/Y-Richtung) und nicht nur in Richtung des Auslegers (Z-Richtung).
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann das Vorspannelement ausgebildet sein als zumindest ein(e): Wellenfeder; Wurmfeder; Spiralfeder; Magnetfeder; Balgzylinder; Elastomer-Ring; oder einer, seriellen und/oder parallelen, Kombination davon. Die Wellenfeder kann aus einem einzigen Wellenband (insb. mehrere Umläufe) oder aus mehreren (insb. fest miteinander verbundenen, in Reihe geschalteten) Einzelwellenfedern ausgebildet sein. Die Wellenfeder kann insb. ein schraubenförmig umlaufendes Wellenband umfassen, dessen Wellenlänge so gewählt ist, dass bei benachbarten Windungen aufeinander zu weisende ‚Berge‘ zur gegenseitigen Anlage kommen. Der (gegenüber alternativen Federn vergleichsweise) große Durchmesser der Wellenfeder ergibt in besonders vorteilhafter Weise eine ausreichende mechanische Steifigkeit bezüglich einer Drehung um die X-/Y-Achse (TX, TY). Die mechanischen Eigenschaften, bspw. der Wellenfeder, können mittels der Wahl der Breite und/oder Dicke des Wellenbandes und/oder des Materials eingestellt werden. Insbesondere eine oder mehrere Wurmfedern entwickeln eine besonders günstige Federwirkung.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung ausgebildet sein, in der Ausgangsstellung, insbesondere in der mittels des Vorspannelements vorgespannten Nullstellung, in den zweiten Betriebszustand festgehalten/geklemmt zu werden (bzw. in dem zweiten Betriebszustand festgehalten/geklemmt vorzuliegen).
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung eine Riegeleinrichtung zur Verriegelung von mindestens einem der (zwischen dem ersten und dem zweiten Schnittstellenabschnitt in dem ersten Betriebszustand gegebenen) Bewegungsfreiheitsgrade vorsehen. Vorzugsweise kann die (und/oder eine weitere) Riegeleinrichtung eingerichtet sein, die Vorspanneinrichtung zu verriegeln.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung zumindest ein Anschlagselement aufweisen. Das Anschlagselement ist zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt angeordnet und eingerichtet, eine maximale Auslenkung der Ausgleichsvorrichtung in der Richtung der ersten Achse zu begrenzen.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung eine zweite Festhalte- oder Klemmvorrichtung aufweisen. Im dem (alternativen) Falle (bzw. in der alternativen Ausführungsform) eines nicht (dauerhaft) fest mit dem zweiten Schnittstellenabschnitt verbundenen, sondern (schaltbar, steuerbar) verbindbaren, Auslegers ist der (verbindbare) Ausleger in dem zweiten Schnittstellenabschnitt bezüglich der Mittenachse mit einem translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad (TZ, RZ) beweglich gelagert. Dabei (zur Verbindbarkeit) ist die zweite Festhalte-/Klemmvorrichtung an dem zweiten Schnittstellenabschnitt eingerichtet, um den Ausleger und den zweiten Schnittstellenabschnitt miteinander zu verbinden. Insbesondere kann dabei die zweite Festhalte-/Klemmvorrichtung an dem zweiten Schnittstellenabschnitt eingerichtet sein, um in dem zweiten Betriebszustand besagten translatorischen und/oder rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad (TZ, RZ) des Auslegers zu sperren.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung eine dritte Festhalte- oder Sperrvorrichtung aufweisen. Dabei ist die dritte Festhalte-/Sperrvorrichtung fest an bzw. zu dem ersten Schnittstellenabschnitt angeordnet. Insbesondere hat (bzw. weist auf, umfasst) die dritte Festhalte-/Sperrvorrichtung einen unabhängig von der ersten Festhaltevorrichtung verstellbaren Sperrdorn, welcher eingerichtet ist, um in den zweiten Betriebszustand zu sperren. Dazu ist der Sperrdorn eingerichtet, um in eine zugehörige Bohrung des Ankers/der Kugel einzufahren, welche bei der in der Ausgangsstellung, insbesondere Nullstellung, befindlichen (ausgerichteten) Kugel hierzu ausgerichtet vorliegt. Insbesondere kann der Sperrdorn entlang der ersten Achse, insb. entlang der Mittelachse, verstellbar ausgebildet sein. Alternativ zu dem Sperrdorn kann ein vergleichbares Verriegelungselement vorgesehen sein.
Vorzugsweise, alternativ oder kumulativ, kann die Ausgleichsvorrichtung zumindest eine Sensorvorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung zur Ausgabe von Sensorsignalen an die Auswerteeinrichtung aufweisen. Dabei hat (bzw. umfasst) die Sensoreinrichtung jeweils mindestens einen Sensor und mindestens einen zugehörigen Target-/Sensorerfassungsbereich. Dabei ist der Sensor an einem und der Targetbereich an dem anderen aus dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt angeordnet. Dabei ist der (erste / zweite) Sensor jeweils zur, insbesondere berührungslosen, Detektion des Targetbereichs ausgebildet. Dabei ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, aus den Sensorsignalen eine Relativposition zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt und dem zweiten Schnittstellenabschnitt zu bestimmen. Weiter bevorzugt kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, die Relativposition in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) zu bestimmen.
In der vorgenannten bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausgleichsvorrichtung insbesondere eine taktile, d.h. eine sensorgestützt bzw. sensorbasiert eingerichtete, Ausgleichsvorrichtung mit einer Lagebestimmungsvorrichtung bzw. Sensorvorrichtung. Dabei ist die Sensorvorrichtung eingerichtet, eine aktive Messfunktion (einen sogenannten „Smart Flex Effector“) auszubilden. Beispielsweise die Druckschrift DE 10 2015 219 332 A1 der vorliegenden Anmelderin, die hiermit durch Verweis ausdrücklich zum Bestandteil der vorliegenden Erfindung gemacht wird, offenbart eine Sensorvorrichtung für eine Ausgleichsvorrichtung sowie eine Roboteranordnung mit der Sensorvorrichtung. Dabei hat die Sensorvorrichtung einen Sensor-Grundkörper und einen Sensor-Gegenkörper als die Sensor-Körper; und ferner hat die Sensorvorrichtung eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen zur Ausgabe von Sensorsignalen. Der Sensor-Gegenkörper ist zu dem Sensor-Grundkörper relativ bewegbar angeordnet. Dabei umfassen die Sensoreinrichtungen jeweils mindestens einen Sensor und mindestens einen Targetbereich. Dabei ist der Sensor an einem der Sensor-Körper (bzw. einem aus den ersten und zweiten Schnittstellenabschnitten) und der Targetbereich an dem anderen Körper (bzw. Schnittstellenabschnitt) angeordnet. Sprich, es ist unerheblich, ob der Sensor oder der korrespondierende / zugehörige Targetbereich Manipulator-seitig oder Endeffektor-seitig vorgesehen ist; oder umgekehrt. Ferner ist dabei der Sensor jeweils zur, insbesondere berührungslosen, Detektion des Targetbereichs mit einer Auswerteeinrichtung ausgebildet. Dabei ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, aus den Sensorsignalen eine Relativposition zwischen dem Gegenkörper und dem Grundkörper zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung ist insb. ausgebildet, die Relativposition in den drei translatorischen (X, Y, Z) und in den drei rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden (RX, RY, RZ) zu bestimmen.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine flexible und schnelle Positionskorrektur durch ein integriertes Messsystem. Dadurch gelingt es, die Positionsabweichung des Werkzeugs und/oder des Werkstücks in Echtzeit zu kompensieren. Insbesondere eine solche bevorzugte Ausführungsform einer mit zumindest einer Sensorvorrichtung sensorgestützten bzw. sensorbasierten Ausgleichsvorrichtung (bzw. Kompensationsmoduls) mit Sensorik bzw. aktiver Messfunktion in sechs Bewegungsfreiheitsgraden erhöht die Präzision, insb. bei Handlingsrobotern.
Somit werden ganz neue Einsatzgebiete für Roboter und kartesische Systeme erschließbar: bei Handlings- oder Fügeprozessen mit engen Toleranzen in der Automatisierungstechnik oder Robotik; zum Fügen von Kleintoleranzen; zur Qualitätsdokumentation, bei der sogenannten ,Tool-Center-Point‘-Erfassung; und/oder für die automatisierte Kompensation von Positionsdrifts in den jeweiligen der sechs Bewegungsfreiheitsgrade. Weiter vorteilhaft können die Messwerte Auskunft über die Prozessqualität geben und können somit zur Qualitätsüberwachung und - protokollierung genutzt werden.
Vorzugsweise kann die Nachgiebigkeit der Ausgleichsvorrichtung bis zur vollständigen Verriegelung (im geklemmten zweiten Betriebszustand) einstellbar sein. Dies ermöglicht in bevorzugten Ausführungsformen, Lageabweichungen des Werkzeugs dank hochauflösender Positionssensoren mittels der zugehörigen Auswerteeinrichtung und/oder Steuereinheit zu erfassen und in aktive Korrekturbewegungen des Manipulators übersetzen und/oder eine Nachjustierung in Echtzeit vorzunehmen.
Insbesondere kann es weiter bevorzugt sein, dass die Sensorvorrichtungen als Verriegelungselemente ausgebildet sind. Sprich, die Funktionen bzw. Wirkweisen der Sensorik und der Verriegelung können zusammengefasst sein, bspw. in Weise eines abgeschrägten Sensors, welcher (durch Verfahren in der ersten Achse) formschlüssig in einen zugehörigen (insb. komplementär ausgeformten) Targetbereich bzw. in eine Reflektorkomponente verriegelnd eingreifen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Handhabungseinrichtung mit einer offenbarungsgemäßen Ausgleichsvorrichtung zur Anordnung zwischen einem Manipulator und einem Endeffektor vorgeschlagen. Daraus ergeben sich entsprechende Vorteile wie für die Ausgleichsvorrichtung.
Ein wesentlicher Nutzen der vorliegenden Erfindung liegt in der Erzeugung des vollständig gesperrten (zweiten) Betriebszustandes mittels des Klemmens der einen / zentralen Kugel (mit zugehöriger Kugelgelenkpfanne) bzw. der einen / zentralen (Kugel-) Gelenkeinrichtung. Indem zur Umsetzung der Kinematik eine zentrale einen / zentralen (Kugel-) Gelenkeinrichtung (Aufhängung) gewählt wird, wird im Vergleich zum beschriebenen Stand der Technik die Komplexität der Kinematik deutlich reduziert.
Besondere Vorteile liegen somit in der weitestgehend vereinfachten / reduzierten Konstruktion / Anordnung, ohne sonstige anwendungstechnische Erfordernisse bzw. Spezifikationen (zu stark) zu kompromittieren. Daraus ergeben sich reduzierte Fertigungs- und Montagekosten sowie eine verbesserte Langlebigkeit / Standzeit mit reduziertem Wartungsaufwand.
Insbesondere kann die eine / zentrale Kugel bzw. die eine / zentrale Gelenkeinrichtung über ein Vorspannungselement / eine Feder geklemmt werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Handhabungseinrichtung mit einer Ausgleichsvorrichtung sowie der sechs Bewegungsfreiheitsgrade;
2 eine stark schematisierte Darstellung einer aus dem Stand der Technik ( DE 10 2015 214 003 A1 ) bekannten Ausgleichsvorrichtung für die Handhabungsvorrichtung der 1;
3 ist eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung einer Ausgleichsvorrichtung gemäß einem eine erste Festhalte-/Klemmvorrichtung aufweisenden ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung einer Ausgleichsvorrichtung gemäß einem eine erste und eine zweite Festhalte-/ Klemmvorrichtung aufweisenden zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 ist ein oberer bzw. Manipulator-seitiger Detailausschnitt (in Abwandlung zu dem des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels) einer Querschnittsdarstellung zur Veranschaulichung einer Ausgleichsvorrichtung gemäß einem eine erste und eine dritte Festhaltevorrichtung aufweisenden dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Aufsichtsdarstellung auf einen unteren bzw. Endeffektor-seitigen zweiten Schnittstellenabschnitt zur Veranschaulichung einer Ausgleichsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit zumindest einer Wurmfeder als Vorspannungselement;
7a ist eine perspektivische Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines mittigen Kernbereiches einer Ausgleichsvorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7b ist eine perspektivische Vorderansicht des mittigen Kernbereiches der Ausgleichsvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel nach der 7a;
7c ist eine Vorderansicht des mittigen Kernbereiches der Ausgleichsvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel nach den 7a und 7b;
7d ist eine in Art einer Explosionszeichnung von äußeren Teilen befreite Vorderansicht abgewandelte Darstellung der 7c.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf der Basis der zugehörigen 1 bis 7d beschrieben. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den jeweiligen Figuren mit einander entsprechenden Bezugszeichen dargestellt.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Handhabungseinrichtung 1, wie diese in der Automatisierung zur Aufnahme, Ablage und/oder Positionierung von Werkstücken oder Werkzeugen eingesetzt wird. Die Handhabungseinrichtung 1 hat einen Manipulator 2, welcher in diesem Beispiel als ein Knickarmroboter ausgebildet ist; prinzipiell kann der Manipulator 2 eine beliebige Roboterform (bspw. eines kartesischen Roboters) aufweisen. Die Handhabungseinrichtung 1 weist ferner einen Endeffektor 3 auf. Dabei ist der Endeffektor 3 in diesem Beispiel als ein Greifer ausgebildet, welcher ein Werkstück 9 hält.
Zwischen dem Manipulator 2 und dem Endeffektor 3 ist eine Ausgleichsvorrichtung 10 angeordnet, welche sequenziell bzw. seriell zwischen dem Endeffektor 3 und dem Manipulator 2 positioniert ist.
Betrachtet man ein (Werkzeug-)Koordinatensystem mit allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden TX, TY, TZ, RX, RY, RZ, welches in der Ausgleichsvorrichtung 10 angeordnet ist, so ist die Ausgleichsvorrichtung 10 in einer Z-Richtung (bzw. Höhenrichtung) zwischen dem Manipulator 2 und dem Endeffektor 3 angeordnet. Diese Z-Achse entspricht vorliegend auch der Mittelachse M der Ausgleichsvorrichtung 10. Rechtwinklig zu der Z-Achse verlaufen eine X-Achse und rechtwinklig dazu eine Y-Achse. Sprich, die X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse stehen jeweils orthogonal zueinander.
Die Ausgleichsvorrichtung 10 erlaubt es, dass sich der Endeffektor 3 relativ zu dem Manipulator 2 in unterschiedlichen - in Abhängigkeit des Anwendungsfalls zu konfigurierenden - Bewegungsfreiheitsgraden bewegen kann. Wie aus der darunter stehenden Symbolik ableitbar, ist es in der allgemeinsten Ausprägung des Ausführungsbeispiels möglich, dass sich dieses in translatorischen Bewegungsfreiheitsgraden TX, TY und TZ entlang der X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse sowie in rotatorischen Bewegungsfreiheitsgraden RZ, RY und RX um die X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse bewegen kann.
Die Aufgabe der Ausgleichsvorrichtung 10 ist es, dass bei einem Greifen oder Positionieren des Werkstücks 9 durch die Handhabungseinrichtung 1 Positionstoleranzen zwischen einer Soll-Lage und einer Ist-Lage des Werkstücks 9 beim Greifen beziehungsweise einer Ablage für das Werkstück 9 beim Ablegen auftreten können. Treten derartige Toleranzen auf, so ist es der Handhabungseinrichtung 1 nicht mehr oder nur zufällig möglich, das Werkstück 9 zu greifen oder abzulegen, stattdessen kommt es in der Regel zu einer Kollision zwischen Endeffektor 3 und Werkstück/Werkzeug 9. Die Ausgleichsvorrichtung 10 erlaubt nun eine (passive, d.h. nicht motorisch aktuierte) Relativbewegung zwischen dem Endeffektor 3 und dem Manipulator 2, sodass sich der Endeffektor 3 im Rahmen dieser Relativbewegung, insbesondere Relativverschiebung (translatorisch) und/oder Relativdrehung (rotatorisch), selbsttätig auf die Position des Werkstücks 9 beim Greifen beziehungsweise einer Ablageposition beim Ablegen einstellen, insbesondere einjustieren, kann.
Gemäß einem grundsätzlichen Aufbau hat die Ausgleichsvorrichtung 10 auf einer dem Manipulator 2 zugewandten Seite einen ersten Schnittstellenabschnitt 20 (bzw. einen Grundkörper) zur, insbesondere starren, Verbindung mit dem Manipulator 2 bzw. Roboter(arm) und auf einer dem Endeffektor 3 zugewandten Seite einen zweiten Schnittstellenabschnitt 30 (bzw. einen Gegenkörper) zur, insbesondere starren, Verbindung mit dem Werkzeug 9 (bspw. Greifer, Tastspitze). Der zweite Schnittstellenabschnitt 30 ist zu dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 durch Zwischenfügen einer Versatzkompensationseinrichtung relativ bewegbar angeordnet.
In der dem Stand der Technik ( DE 10 2015 214 003 A1 ) entnommenen 2 ist eine vorbekannte Ausgleichsvorrichtung 10 nochmals stark schematisiert dargestellt, wobei zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 und dem zweiten Schnittstellenabschnitt 30 drei Pendel- oder Gelenkeinrichtungen 4 zur Ausbildung einer derartigen Versatzkompensationseinrichtung vorgesehen sind. In der in der 2 gezeigten Darstellung sind die Gelenkeinrichtungen 4 auf einem gemeinsamen Teilkreis, um jeweilig 120 Winkelgrad zueinander versetzt, um eine zentral verlaufende Achse, welche gleich oder parallel zu der Z-Achse ausgerichtet ist, verteilt.
Demgegenüber weist vorliegend, wie den 3 bis 7d betreffs der ersten bis fünften Ausführungsbeispiele zu entnehmen, die offenbarungsgemäße Ausgleichsvorrichtung 10 (genau) eine (einzige, zentrale) Pendel- oder Gelenkeinrichtung (auch als Aufhängung zu bezeichnen) 4 zur Ausbildung der Versatzkompensationseinrichtung auf mit einem Anker vorliegend in Form einer Kugel 40 und einem stiftförmig von der Kugel 40 ausgehenden Pendelstab oder Ausleger 41. Dabei sei darauf hingewiesen, dass anstelle der Kugel 40 auch eine Halb- oder Teilkugelform mit einer sphärischen Seite oder ein Kegel vorgesehen sein kann.
Die Versatzkompensationseinrichtung mit der (einen) zentral/mittig positionierten Pendel-/Gelenkeinrichtung 4 erstreckt sich entlang der Z-Achse als der ersten Achse. Wie den 3 bis 7d zu entnehmen, kann die (einzige) Pendel-/Gelenkeinrichtung insbesondere in einem zentralen Bereich, vorzugsweise mittig um die Mittelachse M bzw. in einer X-Y-Ebene zentriert, angeordnet sein kann.
Dabei weist die Pendel-/Gelenkeinrichtung (Aufhängung) 4 u.a. die in einer zugehörigen (Kugelgelenk-)Pfanne 22 als einem Aufnahmeabschnitt des ersten Schnittstellenabschnitts 20 gelagerte Kugel 40 auf (siehe 3 bis 5, 7a). Im ersten Betriebszustand ist die (einzige, zentrale Kugel) 40 beweglich relativ zur Pfanne 22 angeordnet. D.h. sie kann sich in der Pfanne 22 drehen aber auch aus der Pfanne 22 in Richtung hin zum Manipulator anheben.
Die (einzige) Pendel-/Gelenkeinrichtung 4 ist zur gelenkigen, d.h. schwenk-, dreh-, verfahrbaren Verbindung zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 und dem zweiten Schnittstellenabschnitt 30 angeordnet bzw. ausgebildet. Somit erlaubt die (einzige) Gelenkeinrichtung 4 es, im nicht festgehaltenen, insbesondere ungeklemmten bzw. freien ersten Betriebszustand den zweiten Schnittstellenabschnitt 30 als Endeffektor-seitigen, nachgiebigen Schnittstellenabschnitt relativ zu dem Manipulator-seitigen, fixierten ersten Schnittstellenabschnitt 20 gemäß allen aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden TX, TY, TZ, RX, RY, RZ (vgl. 5) zu bewegen.
Bei dem in den 3 bis 6 gezeigten ersten bis vierten Ausführungsbeispiel sind die Schnittstellenabschnitte 20, 30 jeweils als Flanschplatten ausgebildet bzw. stark schematisiert veranschaulicht. Bei einer konstruktiven Umsetzung, wie in den 7a bis 7d für einen mittigen Kernbereich der Ausgleichsvorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung gezeigt, können die Schnittstellenabschnitte 20, 30 jedoch jeweils als Baugruppen ausgebildet sein.
Der vorstehend genannte Pendelstab bzw. Ausleger 41 erstreckt sich radial von der Kugel 40 weg durch eine Ausnehmung/Durchgangsbohrung in dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 in Richtung hin zum zweiten Schnittstellenabschnitt 30, also in Richtung von der Manipulator-Seite hin zur Endeffektor-Seite. Der längliche/gerade stiftförmige Ausleger 41 ist in den hier gezeigten 3 bis 7d in der einfachen Form eines zylindrischen Stiftes oder Stabes schematisiert dargestellt. Jedoch sind andere Formen bzw. Querschnitte als zylindrische bzw. runde denkbar und können ggf. vorteilhaft sein.
Mittels zumindest einer Festhalt- vorliegend Klemmvorrichtung (siehe 3: erste Klemmvorrichtung K1; 4: erste Klemmvorrichtung K1 und/oder zweite Klemmvorrichtung K2; 5: erste Klemmvorrichtung K1 (bestehend aus Klemmzylinder 81 mit Antrieb 85, Klemmplatte 80 sowie Eingriffsfläche 82 auf Kugel 40) und/oder dritte Festhalt-/Sperrvorrichtung K3) kann der geklemmte zweite Betriebszustand erzeugt bzw. (von einer Steuereinheit) geschaltet werden. In dem zweiten Betriebszustand ist die Ausgleichsvorrichtung in allen der sechs Bewegungsfreiheitsgrade TX, TY, TZ, RX, RY, RZ gesperrt. Mit anderen Worten, bilden der erste Schnittstellenabschnitt 20 und der zweite Schnittstellenabschnitt 30 für die Zeitphase des zweiten Betriebszustands zusammen eine unflexible bzw. steife Anordnung, derart, dass relative Bewegungen egal welchen Freiheitsgrades (phasenweise) unterbunden sind.
Eine vorteilhafte Funktion der ersten Klemmvorrichtung K1 ist die eines sogenannten Positionsspeichers. Das dient dazu, Ungenauigkeiten vom Roboter auszugleichen:

Bspw. würde der Roboter in programmierter Weise an eine bestimmte Zielposition heranfahren, um ein externes Objekt, z.B. ein Werkzeug (unter Bezugnahme auf 1: Bezugszeichen 9) in eine Bohrung (nicht dargestellt) einzusetzen oder dergleichen. Dazu tastet der Roboter die Bohrung an. Im Rahmen dieser Antastung federt die Ausgleichsvorrichtung 10 aus ihrer Nullstellung dann heraus, wenn sich die programmierte Position von der tatsächlichen Position unterscheidet. Dann ist es besonders vorteilhaft, dass die erste Klemmung K1 in jeder beliebigen Auslenkung bzw. Winkelstellung des Auslegers 41 zur ersten Achse bzw. Z-Achse (Höhenachse) erfolgen kann, um so die Positionsabweichung in der Ausgleichsvorrichtung quasi einzufrieren.

Die 3 / 4 / 5 / 6 / 7a-7d zeigen jeweils ein mögliches (erstes bis fünftes Ausführungsbeispiel) für die Umsetzung der Aufhängung/Gelenkeinrichtung 4 mit der Kugel 40 und dem Ausleger 41 in der Ausgleichsvorrichtung 10. Dabei sind insb
auch Gesichtspunkte betreffs der Klemmvorrichtungen K1 / K2 / K3; der Elemente zur mechanischen Führung wie feste Verbindung 41, Anschlagselement 23, Zentrierfortsätze 24/34; der Sensorvorrichtungen 60, 61, 11; und/oder der Vorspannvorrichtungen 50 jeweilig abgewandelt, um mögliche Varianten und Modifikationen exemplarisch zu veranschaulichen.
Der Ausleger 41 der Kugel 40 und der zweite Schnittstellenabschnitt 30 sind entweder miteinander grundsätzlich fest verbunden (siehe bspw. 3: feste Verbindung 42) oder wahlweise verbindbar (siehe bspw. die ansonsten gegenüber der 3 gleiche 4: zweite Klemmvorrichtung K2). In dem einen Falle der grundsätzlich festen Verbindung 42 (unter Bezugnahme auf 3) kann bspw. der längliche (bzw. stiftförmige) Ausleger 41 dazu in eine entsprechende Bohrung des zweiten Schnittstellenabschnitts 30 eingefügt bzw. eingepasst sein. Im anderen Falle der (reversiblen) Verbindbarkeit (unter Bezugnahme auf 4) kann die Verbindung eines in dem zweiten Schnittstellenabschnitt 30 in Richtung der Mittelachse M bzw. entlang der Z-Achse längsbeweglich geführten Auslegers 41 mittels einer schaltbaren zweiten Klemmvorrichtung K2 auch außerhalb der Nullstellung bewirkt werden. In 4 ist die zweite Klemmvorrichtung K2 mittels eines quer zum Ausleger 41 aus- und einfahrbaren Druckstiftes technisch umgesetzt, wobei natürlich auch andere Konstruktionen wie Manschetten oder dergleichen Klemmmittel denkbar sind.
Insofern 5 einen oberen bzw. Manipulator-seitigen Detailausschnitt (als drittes Ausführungsbeispiel in Abwandlung zu dem ersten oder zweiten) einer Ausgleichsvorrichtung zeigt, ist es hierzu unerheblich, ob der Ausleger 41 fest verbunden oder verbindbar ist. Das dritte Ausführungsbeispiel in der 5 dient dazu, die Ausgleichsvorrichtung 10 mit der ersten Klemmvorrichtung K1 und einer dritten Sperrvorrichtung K3 zu veranschaulichen.
Wie den 3, 4, 6, 7c/7d zu entnehmen, ist in der Ausgleichsvorrichtung 10 eine Feder 50 als Vorspannelement vorgesehen. Die Feder 50 wird von dem Ausleger 41 mittig durchsetzt. Die Feder 50 spannt die Ausgleichsvorrichtung 10 in der Richtung der ersten Achse Z bzw. Mittelachse M vor. Aufgrund dieser Vorspannung wird, bei Wegfall auslenkender Kräfte, die Ausgleichsvorrichtung aus einer Ausgleichsstellung in die Ausgangsstellung bzw. Nullstellung (Konstruktionslage) zurückgeführt.
Wie bspw. anhand der 3, 4 erkennbar, ist die Feder 50 an ihrem Manipulator-seitigen Ende mit einem Endeffektor-seitigen ersten Zentrierfortsatz 24 des ersten Schnittstellenabschnitts 20 und an ihrem Endeffektor-seitigen Ende mit einem Manipulator-seitigen zweiten Zentrierfortsatz 34 des zweiten Schnittstellenabschnitts 30 angeordnet. Beispielhaft ist die in den 3 und 4 schematisierte Feder 50 spezifischer ausgebildet dargestellt, nämlich als eine mehrreihige Wellenfeder ( 7a-7d); als ein Paar Wurmfedern (6).
Unter Bezugnahme auf das in der 6 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel ist der (bspw. zweite) Zentrierfortsatz 34 um die Mittelachse M ist in der Art eines 3-Bogen-Gleichdicks ausgeführt. Um eine Federrückstellung zu bewirken, liegen an dem zweiten Zentrierfortsatz 34, übereinander angeordnet, eine erste Wurmfeder 50a und eine zweite Wurmfeder 50b an. Die (bspw. endlose) erste Wurmfeder 50a liegt an den langen Seiten des Gleichdicks an. Die (bspw. endlose) zweite Wurmfeder 50b liegt an den kurzen Seiten des Gleichdicks an. Die erste bzw. zweite Wurmfeder 50a, 50b sind jeweilig an jeweils drei ersten bzw. zweiten Punkten 51, bspw. Stiften, des (bspw. zweiten) Schnittstellenabschnitts aufgespannt bzw. aufgehängt. Jeweils sind die drei ersten bzw. zweiten Punkten 51 gleichmäßig (d.h. 120 Winkelgrad) auf einem Teilkreis verteilt angeordnet. Dabei dient der Versatz von 60 Winkelgraden zwischen der Aufhängung in den drei ersten bzw. zweiten Punkten 51 für die erste bzw. zweite Wurmfeder 50a, 50b dazu, eine homogenere Federrückstellung zu bewirken. Zusätzlich kann vorzugsweise eine Schraubenfeder vorgesehen sein (nicht abgebildet; diese kann analog zu der in den 7c/7d erkennbaren Wellenfeder 50 eingebaut sein).
Insgesamt zeichnet sich die in der 6 beispielhaft gezeigte Ausgleichsvorrichtung 10 durch folgende Vorteile aus: Unabhängigkeit der Bewegungsfreiheitsgrade; Erzeugung eines homogenen Kraftfeldes in der Z-Achse und Möglichkeit zur Verkippung um die X- bzw. Y-Achse (TX, TY); Federrückstellung in der Z-Achse (bspw. Druckfeder) bzw. in der X- bzw- Y-Achse sowie Verdrehung in der Z-Achse; planare X- und Y-Auslenkung.
Wie den 3, 4, 7a, 7b zu entnehmen, kann die Ausgleichsvorrichtung 10 drei Anschlagselemente 23 aufweisen. Das Anschlagselement 23 ist zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 und dem zweiten Schnittstellenabschnitt 30 angeordnet. Die Anschlagselemente 23 dienen als Führungsstäbe (bspw. in Weise einfacher Standarddrehteile ausgeführt). Aufgrund eines tellerförmigen Anschlagkopfes an dem Endeffektor-seitigen freien Ende des Anschlagselementes 23 ist eine relative Auslenkung des zweiten Schnittstellenabschnitts 30 gegenüber dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 auf die Höhe des Anschlagselementes 23 begrenzt.
Wie der 5 zu entnehmen, weist die Ausgleichsvorrichtung 10 nach dem dritten Ausführungsbeispiel eine an dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 angeordnete dritte Sperrvorrichtung K3 auf. Dabei hat die dritte Klemmvorrichtung K3 einen verstellbaren Sperrdorn 70, um in den zweiten Betriebszustand zu sperren. Im Konkreten ist beispielhaft ein Balgzylinder 85 im Bereich der ersten Klemmvorrichtung K1 angeordnet, mittels welchem ein Klemmzylinder 81 bewegbar ist an dessen freiem Ende eine Klemmplatte 80 fixiert ist. Die Klemmplatte 80 ist dafür ausgebildet, gegen eine Eingriffsfläche 82 der Kugel 40 reibschlüssig gedrückt zu werden, um die Kugel zwischen sich und der Pfanne 22 einzuklemmen. Innerhalb des Klemmzylinders befindet sind ein weiterer Axialantrieb mit dem von diesem betätigbaren Sperrdorn 70, der wahlweise in eine Sackbohrung 71 in der Kugel dann einrückbar ist, wenn sich diese in Nullposition befindet.
Zum Sperren kann der Sperrdorn 70 also in die zugehörige Bohrung 71 der Kugel 40 einfahren, wenn sich die Bohrung 71 in der Ausgangsstellung / Nullstellung der Kugel 40 co-axial zum Sperrdorn 70 ausrichtet. Insb. kann der Sperrdorn 70 unabhängig von der ersten Klemmvorrichtung K1 verstellt bzw. verfahren werden.
Wie den 3, 4, 6, 7b, 7c/7d zu entnehmen, kann die Ausgleichsvorrichtung 10 eine optionale Sensorvorrichtung aufweisen, welche Sensorsignale an eine Auswerteeinrichtung 11 ausgibt. Dabei umfasst die Sensoreinrichtung jeweils mindestens einen Sensor 61 und mindestens einen zugehörigen Targetbereich 60. Dies dient vorteilhaft der Bestimmung der Relativposition in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden TX, TY, TZ, RX, RY, RZ (vgl. 5).
Wie den 6, 7b, 7c/7d zu entnehmen, können die Sensoren 61 und die Reflektorkomponenten 60 als Targetbereiche, jeweils dreifach vorgesehen, im 120° Winkel um die Mittelachse M angeordnet sein. Zu einem optionalen Verriegeln kann durch einen Hubmagnet der Endeffektor-seitige Werkzeugflansch als der zweite Schnittstellenabschnitt 30 gegen die Feder 50 (bspw. das Wurmfederpaket 50 in 6) in Richtung des Roboterflansches als dem ersten Schnittstellenabschnitt 20 gezogen werden. Aufgrund der Abschrägung um 45 Winkelgrad der Sensoren 61 und der Reflektorkomponenten 60 greifen diese verriegelnd ineinander ein.
Die vorliegende Erfindung betrifft zusammengefasst eine Ausgleichsvorrichtung (10) für eine oder einer automatischen Handhabungsvorrichtung mit einem ersten Schnittstellenabschnitt (20), einem zweiten Schnittstellenabschnitt (30), einer dazwischen gefügten, passiv wirkenden Versatzkompensationsvorrichtung und zumindest einer ersten Festhaltevorrichtung (K1) zum Festhalten oder Sperren der Versatzkompensationsvorrichtung. Dabei ist die Ausgleichsvorrichtung (10) schaltbar zwischen einem freien ersten Betriebszustand, in welchem die Ausgleichsvorrichtung (10) in mindestens drei aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden aus einer Ausgangsstellung in eine Ausgleichsstellung beweglich ist, und einem festgehaltenen zweiten Betriebszustand, in welchem alle Bewegungsfreiheitsgrade gesperrt sind, so dass der erste Schnittstellenabschnitt (20) und der zweite Schnittstellenabschnitt (30) fest miteinander verbunden sind. Dabei hat die Versatzkompensationsvorrichtung einen in einer zugehörigen Pfanne (22) des ersten Schnittstellenabschnitts (20) gelagerten Anker (40) mit einem Pendelstab (41), welcher sich durch eine Durchgangsbohrung in dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) in Richtung zum zweiten Schnittstellenabschnitt (30) erstreckt und mit dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) fest verbunden (42) und/oder verbindbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 296245 A5 [0003]
DE 102015214003 A1 [0003, 0005, 0045, 0053]
US 5964124 [0004]
DE 102015219332 A1 [0036]

Claims

Ausgleichsvorrichtung (10) zur Anordnung zwischen einem Manipulator (2) und einem Endeffektor (3) einer automatischen Handhabungseinrichtung (1) mit einem ersten Schnittstellenabschnitt (20) für den Anschluss an den Manipulator (2), einem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) für den Anschluss an den Endeffektor (3) und einer zwischengefügten Versatzkompensationseinrichtung, die dafür vorgesehen und ausgebildet ist, ein passives Nachführen des Endeffektors (3) im Falle einer Positionsabweichung des Endeffektors (3) relativ zu einem externen Objekt zu erlauben, wobei die Versatzkompensationseinrichtung folgende Bestandteile hat: - eine zentrale Aufhängung (4) mit einem einzigen, sphärisch oder kegelförmig ausgebildeten Anker, vorzugsweise Kugel (40), der in Konstruktionslage in einer auf einer Mittelachse (M) der Ausgleichsvorrichtung (10) zentral platzierten Zentriermulde, vorzugsweise Kugelpfanne (22), gelagert ist, welche sich auf einer dem Manipulator (2) zugewandten Seite des ersten Schnittstellenabschnitts (20) befindet sowie einem, mit dem Anker (40) fest verbundenen Pendelstab (41), der sich durch eine Durchgangsbohrung im ersten Schnittstellenabschnitt (20) hindurch in Richtung hin zum zweiten Schnittstellenabschnitt (30) erstreckt und mit diesem fest verbunden oder wahlweise fest verbindbar ist und - eine Vorspanneinrichtung (50), die zwischen den ersten und zweiten Schnittstellenabschnitten (20, 30) zwischengefügt ist und diese gegeneinander vorspannt.
Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest eine erste Festhalte-, vorzugsweise Klemmvorrichtung (K1) zum Festhalten, vorzugsweise Klemmen, der Aufhängung (4), vorzugsweise des Ankers (40), am ersten Schnittstellenabschnitt (20), wodurch die Ausgleichsvorrichtung (10) schaltbar ist zwischen: - einem freien ersten Betriebszustand, in welchem die Ausgleichsvorrichtung (10) in mindestens drei, vorzugsweise allen, aus den sechs Bewegungsfreiheitsgraden (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) aus einer Ausgangslage, insbesondere Konstruktions- oder Nulllage, in eine Ausgleichslage beweglich ist, und - einem festgehaltenen, vorzugsweise geklemmten, zweiten Betriebszustand, in welchem alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) blockiert sind, so dass der erste Schnittstellenabschnitt (20) und der zweite Schnittstellenabschnitt (30) unbeweglich miteinander verbunden sind, wobei die Z-Achse der Mittelachse (M) entspricht.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Festhalte-, vorzugsweise Klemmvorrichtung (K1) fest an dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) angeordnet ist; und mit einem verstellbaren, insbesondere entlang der Z-Achse verstellbaren, ersten Festhalte- vorzugsweise Klemmabschnitt (82) eingerichtet ist, um den Anker, insbesondere Kugel (40) in der Zentriermulde (22) des ersten Schnittstellenabschnitts (20) zumindest in der Konstruktions- oder Ausgangsstellung drehfest zu halten.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Festhalte-, vorzugsweise Klemmvorrichtung (K1) bei Schalten in den zweiten Betriebszustand eingerichtet ist, den Pendelstab (41), wenn in der Ausgangsstellung, insbesondere Konstruktions-/Nullstellung, in einer Lage entlang der Mittelachse (M) zu sperren; und/oder den Pendelstab (41), wenn in einer Ausgleichsstellung, in einer zu der Mittelachse (M) um einen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad (RX, RY) verschwenkten Lage zu sperren.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) und dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) zur Vorspannung der Ausgleichsvorrichtung (10) in Richtung der Z-Achse ausgerichtetes sowie zentral angeordnetes Vorspannelement (50), so dass die Ausgleichsvorrichtung (10) aus der Ausgleichsstellung in die Ausgangsstellung, insbesondere in eine vorgespannte Nullstellung, zurückgeführt wird.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (50) von dem Pendelstab (41) durchsetzt ist, wobei weiter bevorzugt das Vorspannelement (50) um den Pendelstab (41) derart angeordnet ist, um eine formschlüssige, drehfeste Verbindung zueinander auszubilden.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (50) an seinem einen axialen Ende mit dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) und an seinem anderen axialen Ende mit dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) jeweils drehfest, insbesondere fest, verbunden ist, so dass die Ausgleichsvorrichtung (10) aus einer um die Mittelachse (M) verdrehte Ausgleichsstellung in die Ausgangsstellung, insbesondere in die vorgespannte Nullstellung, zurückgeführt wird.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (50) ausgebildet ist als: - zumindest eine, aus zumindest einem Wellenband ausgebildete, Wellenfeder; und/oder - zumindest eine Wurmfeder; und/oder - zumindest eine Spiralfeder; und/oder - zumindest eine Magnetfeder; und/oder - zumindest ein Balgzylinder (85); und/oder - zumindest ein Elastomer-Ring.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest ein zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) und dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) zur Begrenzung einer maximalen Auslenkung der Ausgleichsvorrichtung (10) in Richtung der Z-Achse angeordnetes Anschlagselement (23).
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Festhalte- vorzugsweise Klemmvorrichtung (K2), die an dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) montiert und dafür eingerichtet ist, den Pendelstab (41) und den zweiten Schnittstellenabschnitt (30) miteinander wahlweise fest zu verbinden.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Festhalte- vorzugsweise Rastvorrichtung (K3), die fest an dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) montiert ist und zum Sperren in den zweiten Betriebszustand einen unabhängig von der ersten Festhaltevorzugsweise Klemmvorrichtung (K1) verstellbaren, insbesondere entlang der ersten Achse (Z) verstellbaren, Sperrdorn (70) aufweist, welcher eingerichtet ist, um in eine zugehörige Bohrung (71) im Anker (40) einzufahren, wenn sich der Anker (40) in der Ausgangsstellung, insbesondere Nullstellung, befindet.
Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Sensorvorrichtung zur Ausgabe von Sensorsignalen an eine Auswerteeinrichtung (11), wobei - die Sensoreinrichtung mindestens einen Sensor (61) und mindestens einen zugehörigen Target- oder Erfassungsbereich (60) hat; wobei der Sensor (61) an einem und der Targetbereich (60) an dem anderen aus dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) und dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) angeordnet ist und jeweils zur, insbesondere berührungslosen, Detektion des Targetbereichs (60) ausgebildet ist; und wobei - die Auswerteeinrichtung (11) ausgebildet ist, aus den Sensorsignalen eine Relativposition zwischen dem ersten Schnittstellenabschnitt (20) und dem zweiten Schnittstellenabschnitt (30) zu bestimmen, weiter bevorzugt die Relativposition in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ) zu bestimmen.
Handhabungseinrichtung (1) mit einer, insbesondere zwischen einem Manipulator (2) und einem Endeffektor (3) angeordneten, Ausgleichsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.