DE102022111781B4

DE102022111781B4 - Pneumatisches Aktorsystem

Info

Publication number: DE102022111781B4
Application number: DE102022111781.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Amler; Thomas Beyerlein; Christian Bäurle
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2022-05-11
Filing date: 2022-05-11
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2042-05-12
Also published as: DE102022111781A1; WO2023217935A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Aktorsystem (1; 41; 61), mit einem Aktor (2; 52), der ein Aktorgehäuse (3) mit einer Arbeitsausnehmung (4) aufweist, in der ein Antriebsglied (5) beweglich aufgenommen ist, das mit der Arbeitsausnehmung (4) einen größenvariablen ersten Arbeitsraum (7) begrenzt, wobei das Aktorgehäuse (3) von einem ersten Fluidkanal (8) durchsetzt ist, der zwischen dem ersten Arbeitsraum (7) und einem außen am Aktorgehäuse (3) angeordneten ersten Fluidanschluss (9) erstreckt ist, sowie mit einer Drucksensoranordnung (10; 42; 60) zur Erfassung eines Arbeitsdrucks im ersten Arbeitsraum (7), die mit einer Auswerteeinrichtung (15; 65) verbunden ist, wobei die Drucksensoranordnung (10; 42; 60) einen ersten Drucksensor (11; 43) zur Bereitstellung eines ersten Drucksignals und einen zweiten Drucksensor (12; 44) zur Bereitstellung eines zweiten Drucksignals aufweist und wobei die Auswerteeinrichtung (15; 65) zur Ermittlung eines Zustandssignals in Abhängigkeit von den beiden Drucksignalen sowie zur Bereitstellung des Zustandssignals an einer Kommunikationsschnittstelle (80) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Aktorsystem für einen kollaborativen Roboter. Ein solches Pneumatisches Aktorsystem kann beispielsweise zur Einleitung einer Relativbewegung zwischen zwei schwenkbeweglich miteinander gekoppelten Armabschnitten eines Roboterarms eines kollaborativen Roboters genutzt werden. Um ein Verletzungsrisiko durch Bewegungen des kollaborativen Roboters zu reduzieren ist es aus einem druckschriftlich nicht niedergelegten Stand der Technik bekannt, ein pneumatisches Aktorsystem mit einem sicherheitsgerichtet ausgebildeten Positionsmesssystem zu versehen, um beispielsweise nicht vorgesehene Relativbewegungen zwischen den Armabschnitten zuverlässig ermitteln zu können und bei Vorliegen einer solchen nicht vorgesehenen Relativbewegung den Roboterarm in einen sicheren Zustand bringen zu können.
Die DE 10 2010 033 326 B4 offenbart einen Roboter, insbesondere zur Ausführung einer medizinischen Behandlung, der eine durch eine Anzahl von pneumatischen Aktuatoren bewegbare Mechanik umfasst, wobei die Aktuator-Nachgiebigkeit der jeweiligen pneumatischen Aktuatoren einstellbar ist. Ferner weist der Roboter eine Steuereinrichtung auf, durch welche die Bewegung des Roboters über die Betätigung der Anzahl von pneumatischen Aktuatoren steuerbar ist, wobei die Steuereinrichtung mittels einer Benutzerschnittstelle bedienbar ist, über welche die Nachgiebigkeit der Roboterbewegung festlegbar bzw. veränderbar ist. Die Steuereinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie die Aktuator-Nachgiebigkeit der jeweiligen Aktuatoren in Abhängigkeit von der über die Benutzerschnittstelle festgelegten Nachgiebigkeit der Roboterbewegung einstellt.
Die DE 10 2016 015 866 B3 beschreibt eine maschinelle Lernvorrichtung mit einer Zustandsbeobachtungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Zustandsvariable zu erhalten, die einen Zustand eines Roboters, wenn die Person und der Roboter zusammen arbeiten, darstellt; mit einer Einheit zum Erhalten von Bestimmungsdaten, die dazu eingerichtet ist, die Bestimmungsdaten für mindestens eines von einer Belastungshöhe für die Person und einer Arbeitseffizienz zu erhalten; mit einer maschinelle Lerneinheit, umfassend eine Belohnungsberechnungseinheit und eine Funktionsaktualisierungseinheit, wobei die Zustandsvariable Informationen in Bezug auf mindestens eines von einer Position, einer Ausrichtung, einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung des Roboters umfasst, die Bestimmungsdaten Informationen in Bezug auf mindestens eines von einer Größenordnung einer Last, die von dem Roboter erfasst wird, einer Richtung der Last, die von dem Roboter erfasst wird, einer Größenordnung einer Last, die von der Person erfasst wird, einer Richtung der Last, die von der Person erfasst wird, einer Größenordnung einer Last, die von einem Objekt in der Umgebung erfasst wird, einer Richtung der Last, die von dem Objekt in der Umgebung erfasst wird, einer Belastungshöhe für die Person, einer Belastungshöhe für das Objekt in der Umgebung, einer Bewegungszeit, Informationen von einer Kamera, und Informationen von einem Sensor umfassen, die Belohnungsberechnungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Belohnung basierend auf den Bestimmungsdaten einzustellen; und die Funktionsaktualisierungseinheit dazu eingerichtet ist, ein neuronales Netz, das eine Funktion zum Einstellen einer Handlung des Roboters darstellt, basierend auf der Zustandsvariablen und der Belohnung zu aktualisieren.
In der DE 10 2011 084 007 B4 werden ein Roboter und ein Antriebsmodul für ein Robotergelenk offenbart, wobei das Antriebsmodul für ein Robotergelenk die folgende Komponenten aufweist: einen dem Gelenk zugeordneten Aktor, der dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe eines von einer Robotersteuerung erzeugten Steuersignals eine Bewegung des zugehörigen Arm-Segmentes auszuführen, sowie eine mit dem Aktor mechanisch gekoppelte elastische Kupplung, die dazu ausgebildet ist, eine von dem jeweiligen Aktor entkoppelte Bewegung des Gelenks zu gewährleisten, wobei die Kupplung zwei Kupplungshälften und einen dazwischen angeordneten elastischen Puffer umfasst und wobei mit der Kupplung gekoppelte Winkelsensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Verdrehung zwischen den zwei Kupplungshälften zu ermitteln und wobei eine Auswerteeinrichtung dazu vorgesehen ist, unabhängig von dem Steuersignal und abhängig von der gemessenen Verdrehung, den Aktor anzusteuern.
Die EP 3183 461 B1 offenbart einen weichen Roboter mit einer integrierten elektrischen Komponente, umfassend: einen expandierbaren oderzusammenklappbaren Körper, wobei der Körper einen Einlass umfasst, der konfiguriert ist, um mit einer Fluidquelle zu kommunizieren; und eine flexible dehnungsbegrenzte Schicht, die an einem Abschnitt des expandierbaren oder zusammenklappbaren Körpers befestigt ist, wobei die dehnungsbegrenzte Schicht mindestens eine elektrische Komponente enthält, wobei die elektrische Komponente mindestens eines von einem lithographisch definierten Draht, der auf der dehnungsbegrenzenden Schicht angeordnet ist, einem schlangenförmigen leitfähigen Draht oder einer Leiterbahn, die konform an einer geknickten dehnungsbegrenzenden Schicht befestigt ist, umfasst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein pneumatisches Aktorsystem für einen kollaborativen Roboter bereitzustellen, das gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten pneumatischen Aktorsystem eine kostengünstigere Aufbauweise und einen vergrößerten Funktionsumfang aufweist.
Diese Aufgabe wird für ein pneumatisches Aktorsystem der eingangs genannten Art wie folgt gelöst: mit einem Aktor, der ein Aktorgehäuse umfasst, in dem eine Arbeitsausnehmung ausgebildet ist, in der ein Antriebsglied beweglich aufgenommen ist, das mit der Arbeitsausnehmung einen größenvariablen ersten Arbeitsraum begrenzt, wobei das Aktorgehäuse von einem ersten Fluidkanal durchsetzt ist, der zwischen dem ersten Arbeitsraum und einem außen am Aktorgehäuse angeordneten ersten Fluidanschluss erstreckt ist, sowie mit einer Drucksensoranordnung, die für eine Erfassung eines Arbeitsdrucks im ersten Arbeitsraum ausgebildet ist und die elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei die Drucksensoranordnung einen ersten Drucksensor aufweist, der zur Bereitstellung eines ersten Drucksignals ausgebildet ist, und einen zweiten Drucksensor aufweist, der zur Bereitstellung eines zweiten Drucksignals ausgebildet ist, und wobei die Auswerteeinrichtung eine Kommunikationsschnittstelle aufweist und zur Ermittlung eines, insbesondere ein vom Aktor bereitgestelltes Kraftniveau angebendes, Zustandssignals in Abhängigkeit von dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal sowie zur Bereitstellung des Zustandssignals an der Kommunikationsschnittstelle ausgebildet ist.
In einer ersten Ausführungsform kann der Aktor als so genannter einfachwirkender Aktor ausgebildet sein, der eine einzige Arbeitskammer aufweist, die von einer Innenwand der im Arbeitsgehäuse ausgebildeten Arbeitsausnehmung sowie von einem Oberflächenabschnitt des Antriebsglieds begrenzt wird. Eine Zufuhr eines druckbeaufschlagten Fluids in diese Arbeitskammer erfolgt durch einen ersten Fluidkanal, der sich zwischen einem außen am Aktorgehäuse angeordneten, beispielsweise als Schlauchkupplung ausgebildeten, Fluidanschluss und einer in der Arbeitskammer ausgebildeten Mündungsöffnung erstreckt. Bei einer derartigen Fluidzufuhr in den Arbeitsraum wirkt eine Druckkraft auf das Antriebsglied, das durch diese Druckkraft längs eines, insbesondere geradlinigen oder kreisabschnittsförmigen, Bewegungswegs verlagert wird. Um eine vom Antriebsglied bereitgestellte Kraft oder ein vom Antriebsglied bereitgestelltes Drehmoment bestimmen zu können, wird mittels einer Drucksensoranordnung der Druck des Arbeitsfluids in dem ersten Arbeitsraum bestimmt und unter Berücksichtigung der Geometrie des Antriebsglieds sowie den Eigenschaften einer gegebenenfalls dem Aktor zugeordneten Rückstelleinrichtung wie beispielsweise einer Rückstellfeder, in einer elektrisch mit der Drucksensoranordnung verbundenen Auswerteeinrichtung ermittelt. Um hierfür eine zuverlässige Druckbestimmung gewährleisten zu können, umfasst die Drucksensoranordnung einen ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor, die beide dem ersten Arbeitsraum zugeordnet sind. Somit werden der Auswerteeinrichtung zwei Drucksignale zur Verfügung gestellt, aus denen die Auswerteeinrichtung ein Zustandssignal ermitteln kann. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung eine Abweichung zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal ermittelt. Für den Fall, dass diese Abweichung innerhalb eines vorgegebenen Vertrauensintervalls liegt, stellt die Auswerteeinrichtung entweder einen Druckwert, der aus einem der beiden Drucksignale berechnet wurde, oder einen aus beiden Drucksignalen berechneten Druckwert oder einen aus dem Druckwert ermittelten Kraftwert bzw. Drehmomentwert als Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle bereit. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen einer Abweichung zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal, die außerhalb des vorgegebenen Vertrauensintervalls liegt, eine Fehlermeldung als Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung nur für den Fall, dass die Abweichung zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal außerhalb des vorgegebenen Vertrauensintervalls liegt, eine Fehlermeldung an die Kommunikationsschnittstelle bereitstellt und im Übrigen kein Zustandssignal ausgibt.
Die Auswerteeinrichtung ist beispielhaft als elektrische oder elektronische Schaltung, insbesondere als Mikrocomputer, ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung in einer Weise programmiert, dass die Erfassung und Verarbeitung des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals gemäß einem vorgegebenen Sicherheitsniveau eines vorgegebenen Sicherheitsstandards durchgeführt wird.
In Abhängigkeit von einer Anwendungsumgebung für das pneumatische Aktorsystem kann vorgesehen sein, dass die Verarbeitung des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals sowie das hierfür vorgesehene Vertrauensintervall fest in der Auswerteeinrichtung hinterlegt sind oder durch eine Programmierung bzw. eine Parametrierung der Auswerteeinrichtung während einer Inbetriebnahme vorgegeben werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eine Parametrierung, gegebenenfalls auch eine Programmierung, für die Auswerteeinrichtung dynamisch während des Betriebs des pneumatischen Aktorsystems verändert werden, um beispielsweise eine Anpassung an unterschiedliche räumliche Orientierungen des Aktors zu ermöglichen.
Das an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellte Zustandssignal kann wahlweise als Analogsignal oder als Digitalsignal entsprechend einem vorgegebenen digitalen Protokoll, insbesondere einem Buskommunikationsprotokoll, codiert sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Zustandssignal in einer Weise an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt wird, die eine sicherheitsgerichtete Übertragung des Zustandssignals an eine übergeordnete Steuerung, beispielsweise eine Robotersteuerung, ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils separat ausgebildet sind und dass der erste Drucksensor über eine erste Sensorleitung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist und dass der zweite Drucksensor über eine zweite Sensorleitung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist. Bevorzugt sind der erste Drucksensor und der zweite Drucksensor jeweils als diskrete Komponenten mit jeweils eigenem Sensorgehäuse ausgebildet und jeweils eigenständig am Aktorgehäuse festgelegt. Durch die jeweils separate bauliche Ausgestaltung und Anbringung des jeweiligen Drucksensors sowie die jeweils separate elektrische Verbindung des ersten Drucksensors über die erste Sensorleitung und des zweiten Drucksensors über die zweite Sensorleitung wird ein vorteilhaftes Sicherheitsniveau für die Signalübertragung zwischen den jeweiligen Drucksensor und der Auswerteeinrichtung gewährleistet.
Alternativ ist vorgesehen, dass die Drucksensoranordnung den ersten Drucksensor, den zweiten Drucksensor sowie eine Verarbeitungseinrichtung, die für einen Vergleich des ersten Drucksignals mit dem zweiten Drucksignal ausgebildet ist, umfasst und über eine Signalleitung mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung für eine Bereitstellung eines aus dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal ermittelten Statuswerts aus der Gruppe: aktueller Druckwert und Messfehler über die Signalleitung an die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform stellt die Drucksensoranordnung mit dem Statuswert bereits ein als sicher einzustufendes Signal bereit, da der Zustandswert in der Drucksensoranordnung auf Basis der redundanten ersten und zweiten Drucksignale in der Verarbeitungseinrichtung ermittelt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass die Drucksensoranordnung nur dann einen aktuellen Druckwert als Statuswert an die Auswerteeinrichtung überträgt, wenn eine Abweichung zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal innerhalb eines vorgegebenen Vertrauensintervalls liegt oder in anderer Weise auf Richtigkeit geprüft werden konnte. Andernfalls ist vorgesehen, dass die Drucksensoranordnung einen Statuswert, der einen Messfehler repräsentiert, an die Auswerteeinrichtung bereitstellt. Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinrichtung als Mikrocomputer oder Mikroprozessor ausgebildet und ist in einer Weise programmiert, dass die Erfassung und Verarbeitung des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals gemäß einem vorgegebenen Sicherheitsniveau eines vorgegebenen Sicherheitsstandards durchgeführt wird.
Vorteilhaft ist es, wenn das Antriebsglied mit der Arbeitsausnehmung einen zweiten, größenvariablen Arbeitsraum begrenzt und dass das Aktorgehäuse von einem zweiten Fluidkanal durchsetzt ist, der zwischen dem zweiten Arbeitsraum und einem zweiten, außen am Aktorgehäuse angeordneten zweiten Fluidanschluss erstreckt ist, wobei die Drucksensoranordnung einen dritten Drucksensor aufweist, der zur Bereitstellung eines dritten Drucksignals ausgebildet ist, und einen vierten Drucksensor aufweist, der zur Bereitstellung eines vierten Drucksignals ausgebildet ist, und wobei die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Zustandssignals in Abhängigkeit von dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal und dem dritten Drucksignal und dem vierten Drucksignal sowie zur und Bereitstellung des Zustandssignals an der Kommunikationsschnittstelle ausgebildet ist. Ein derartig ausgebildeter Aktor wird auch als doppeltwirkender Aktor bezeichnet, bei dem eine Relativbewegung zwischen dem Antriebsglied und dem Aktorgehäuse von einer Druckdifferenz zwischen einem Druck im ersten Arbeitsraum und einem Druck im zweiten Arbeitsraum abhängig ist. Um einen sicherheitsgerichteten Betrieb eines derartigen Aktors gewährleisten zu können, ist es vorgesehen, dass sowohl dem ersten Arbeitsraum als auch dem zweiten Arbeitsraum jeweils redundant ausgebildete Drucksensoren zugeordnet sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in der Auswerteeinrichtung geometrische Informationen zur Gestaltung des ersten Arbeitsraums und des zweiten Arbeitsraums hinterlegt sind, so dass die Auswerteeinrichtung in Kenntnis der Druckverhältnisse, wie sie im ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum vorherrschen, sowie der daraus zu ermittelnden Druckdifferenz rein exemplarisch ein Zustandssignal ermitteln kann, das eine vom Antriebsglied bereitgestellte Kraft oder ein vom Antriebsglied bereitgestelltes Drehmoment repräsentiert.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung ein erstes Auswertemodul umfasst, das elektrisch mit dem ersten Drucksensor und dem dritten Drucksensor verbunden ist und dass die Auswerteeinrichtung ein zweites Auswertemodul umfasst, das elektrisch mit dem zweiten Drucksensor und mit dem vierten Drucksensor verbunden ist, und dass das erste Auswertemodul elektrisch, insbesondere unmittelbar, mit dem zweiten Auswertemodul verbunden ist. Das erste Auswertemodul und das zweite Auswertemodul können beispielsweise als separate Mikrocontroller oder Mikroprozessoren innerhalb der Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, die technisch gleichartig (redundant) oder technisch unterschiedlich (diversitär redundant) ausgebildet sind und die in gleicher oder in unterschiedlicher Weise programmiert sind. Somit findet rein exemplarisch im ersten Auswertemodul eine Auswertung für das erste Drucksignal und das dritte Drucksignal statt, während im zweiten Auswertemodul rein exemplarisch eine Auswertung für das zweite und das vierte Drucksignal vorgenommen wird. Ferner kommt einem der beiden Auswertemodule, also wahlweise dem ersten Auswertemodul oder zweiten Auswertemodul, die Aufgabe zu, das Auswertungsergebnis des jeweils anderen Auswertemoduls zu empfangen und mit dem eigenen Auswertungsergebnis zu vergleichen. Sofern sich hierbei eine zumindest weitgehende Übereinstimmung der beiden Auswertungsergebnisse ergibt, beispielsweise wenn die beiden Auswertungsergebnisse innerhalb eines vorgegebenen Vertrauensintervalls liegen, stellt beispielsweise das erste Auswertemodul das Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle bereit. Andernfalls kommt einem der Auswertungsmodule die Aufgabe zu, ein Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle bereitstellt, aus dem hervorgeht, dass eine Abweichung zwischen den beiden Auswertungsergebnissen vorliegt, die es nicht möglich macht, eine vom Antriebsglied bereitgestellte Kraft bzw. ein vom Antriebsglied bereitgestelltes Drehmoment oder eine andere Kenngröße des Antriebs in korrekter Weise zu ermitteln. In diesem Fall wird üblicherweise vorgesehen sein, dass die mit der Kommunikationsschnittstelle verbundene übergeordnete Steuerung eine Abschaltung der pneumatischen Versorgung des Aktors, insbesondere eine Belüftung wenigstens eines Arbeitsraums des Aktors, veranlasst.
Zweckmäßig ist es, wenn der erste Drucksensor und der dritte Drucksensor jeweils als erster Sensortyp ausgebildet sind und dass der zweite Drucksensor und der vierte Drucksensor als zweiter Sensortyp ausgebildet sind, wobei der erste Sensortyp eine höhere Messgenauigkeit und/oder eine höhere Messgeschwindigkeit und/oder einen kleineren Messbereich als der zweite Sensortyp aufweist. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Drucksensoren können gleichzeitig zwei unterschiedliche Zielsetzungen erreicht werden. Die erste Zielsetzung ist darin zu sehen, dass jeder der beiden Arbeitsräume mit zwei technisch unterschiedlichen Drucksensoren überwacht wird, wodurch eine diversitäre Redundanz geschaffen wird, bei der Messfehler aufgrund von konstruktiv bedingten Sensoreigenschaften zumindest weitgehend ausgeschlossen werden können. Dies gilt beispielsweise dann, wenn die beiden Drucksensoren, die dem jeweiligen Arbeitsraum zugeordnet sind, auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Die zweite Zielsetzung ist darin zu sehen, dass für jeden der beiden Arbeitsräume eine möglichst präzise Druckmessung zu möglichst günstigen Herstellungskosten für die Drucksensoranordnung erzielt werden soll. Dies wird dadurch realisiert, dass jeweils eine der beiden Drucksensoren, die dem jeweiligen Arbeitsraum zugeordnet sind, eine hohe Messgenauigkeit und/oder Messgeschwindigkeit aufweist, während der andere den jeweiligen Arbeitsraum zugeordnete Drucksensor als weniger präziser und/oder langsamerer und dafür kostengünstigerer Drucksensor ausgebildet sein kann. In diesem Fall dient das Drucksignal des präziseren und/oder schnelleren Drucksensors zur eigentlichen Druckermittlung, während das Drucksignal des weniger präzisen und/oder langsameren Drucksensors ausschließlich zur Bestätigung des ermittelten Druckwerts dient, jedoch nicht für die weitere Verarbeitung herangezogen wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Aktor ein Positionsmesssystem zugeordnet ist, das elektrisch mit der Auswerteeinrichtung verbunden ist und das zur Bereitstellung eines Positionssignals in Abhängigkeit von einer Relativposition zwischen Antriebsglied und Aktorgehäuse ausgebildet ist und dass die Auswerteeinrichtung für einen Abgleich eines aus dem Positionssignal ermittelten Messwerts aus der Gruppe: Position des Antriebsglieds, Geschwindigkeit des Antriebsglieds, Beschleunigung des Antriebsglieds, mit dem ersten Drucksignal und/oder dem zweiten Drucksignal ausgebildet ist. In einer einfachsten Ausführungsform handelt es sich bei dem Positionsmesssystem um einen Positionstransmitter, der ein Schaltsignal bereitstellt, sobald das Antriebsglied eine vorgegebene Position längs des, insbesondere geradlinigen oder kreisabschnittsförmigen, Bewegungswegs einnimmt oder passiert. Alternativ ermöglicht das Positionsmesssystem eine Positionsbestimmung für das Antriebsglied zumindest über einen Teil des Bewegungswegs, insbesondere über den gesamten Bewegungsweg. In diesem Fall kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Antriebsglied mit einem Permanentmagneten versehen ist und am Aktorgehäuse wenigstens ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, der beispielsweise zur Ermittlung einer magnetischen Flussdichte und/oder einer räumlichen Ausrichtung eines Magnetfeldvektors des am Antriebsglied angebrachten Permanentmagneten ausgebildet ist, um dadurch die gewünschte Positionsbestimmung zu ermöglichen. Durch eine einfache oder zweifache Ableitung des Sensorsignals dieses Magnetfeldsensors nach der Zeit kann eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung des Antriebsglieds ermittelt werden, die in einem nachfolgenden Schritt mit wenigstens einem Druckwert wenigstens eines Arbeitsraums abgeglichen wird. Hierdurch können Informationen über einen Bewegungszustand sowie eine Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe des Aktors an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt werden, die zuvor von der Auswerteeinrichtung gegenseitig auf Plausibilität geprüft wurden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass an der Kommunikationsschnittstelle der Auswerteeinrichtung eine Sicherheitssteuerung angeschlossen ist, die mit einer Pneumatiksteuerung verbunden ist, wobei die Pneumatiksteuerung wenigstens ein Pneumatikventil für eine Belüftung und Entlüftung des Aktors umfasst und wobei die Sicherheitssteuerung für eine sicherheitsgerichtete Ansteuerung der Pneumatiksteuerung ausgebildet ist. Vorzugsweise kommt der Sicherheitssteuerung ausschließlich die Aufgabe zu, das von der Auswerteeinrichtung an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellte Zustandssignal zu überwachen. Für den Fall, dass entweder ein Zustandssignal bereitgestellt wird, das einen Messfehler der Drucksensoranordnung repräsentiert, oder dass ein Zustandssignal bereitgestellt wird, aus dem eine Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe abgeleitet werden muss, die über einem vorgegebenen Maximalniveau für eine Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe liegt, hat die Sicherheitssteuerung die Aufgabe, den Aktor in geeigneter Weise in einen sicheren Zustand zu bringen. Bevorzugt ist hierzu vorgesehen, zunächst eine weitere Zufuhr von Druckluft an den Aktor zu unterbrechen, womit eine Kraftabgabe oder Drehmomentabgabe gegen Null reduziert wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass in einem nachfolgenden Schritt eine Belüftung des Aktors, also der einen Arbeitskammer oder der beiden Arbeitskammern, vorgenommen wird, so dass der Aktor energielos wird. Zur Durchführung dieser Maßnahmen ist ein direkter Zugriff der Sicherheitssteuerung auf die Pneumatiksteuerung für den Aktor vorgesehen, wobei diese Pneumatiksteuerung dazu ausgebildet ist, anhand von elektrischen Eingangssignalen eine Belüftung und Entlüftung des wenigstens einen Arbeitsraums zu bewirken. Hierzu umfasst die Pneumatiksteuerung wenigstens eine Ventileinrichtung, beispielsweise ein Schaltventil oder ein Proportionalventil. Rein exemplarisch kann es sich bei der Ventileinrichtung für den jeweiligen Arbeitsraum um ein 5/3-Wegeventil handeln, das in einer ersten Schaltstellung eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen einer Druckluftquelle und dem jeweiligen Arbeitsraum herstellt, in einer zweiten Schaltstellung den Arbeitsraum fluidisch absperrt und in einer dritten Schaltstellung eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen einer Druckfluidsenke und dem jeweiligen Arbeitsraum herstellt.
Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die elektrischen Eingangssignale für die Pneumatiksteuerung während eines normalen Betriebs des Aktorsystems von einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer Robotersteuerung, zur Verfügung gestellt werden. Bei Vorliegen eines Messfehlers für die Druckmessung im jeweiligen Arbeitsraum kann vorgesehen sein, dass die Eingangssignale der übergeordneten Steuerung von Eingangssignalen der Sicherheitssteuerung überlagert werden, um die gewünschte Abschaltung der Druckluftzufuhr für den Aktor sowie gegebenenfalls die gewünschte Entlüftung des Aktors herbeizuführen. Andere Signalarchitekturen, bei denen beispielsweise die Sicherheitssteuerung mit der übergeordneten Steuerung, insbesondere der Robotersteuerung, kommuniziert, um durch eine Kommunikation der übergeordneten Steuerung mit der Pneumatiksteuerung die gewünschte Abschaltung der Druckluftversorgung für den Aktor herbeizuführen, sind ebenfalls möglich.
Vorteilhaft ist es, wenn der Aktor als Linearaktor ausgebildet ist und die Arbeitsausnehmung als Längsbohrung im Aktorgehäuse ausgebildet ist, in der ein längs einer Bewegungsachse linearbeweglicher Kolben als Antriebsglied aufgenommen ist, der mit einer längs der Bewegungsachse erstreckten Kolbenstange oder mit einem quer zur Bewegungsachse erstreckten Mitnehmer gekoppelt ist. Eine derartiger Linearaktor wird als Pneumatikzylinder bezeichnet, wenn der Kolben mit einer längs der Bewegungsachse erstreckten und in Längsrichtung aus dem Aktorgehäuse abragenden Kolbenstange versehen ist bzw. als kolbenstangenloser Pneumatikzylinder bezeichnet, wenn das Antriebsglied mit einem Mitnehmer gekoppelt ist, der quer zur Bewegungsachse vom Kolben abragt. In jedem Fall ist ein solcher Linearaktor zur Bereitstellung einer Linearbewegung ausgebildet. Das Zustandssignal, das von der Auswerteeinrichtung an der Kommunikationsschnittstelle bereitgestellt wird, kann ergänzend oder alternativ zu einem Druckwert, der in einem Arbeitsraum vorliegt, eine Information über die vom Antriebsglied bereitgestellte Kraft enthalten.
Alternativ ist vorgesehen, dass der Aktor als Schwenkantrieb ausgebildet ist, wobei das Antriebsglied schwenkbeweglich um eine Schwenkachse in der zumindest bereichsweise kreiszylindrisch ausgebildeten Arbeitsausnehmung aufgenommen ist und mit einem in radialer Richtung von einer Antriebswelle abragenden Schwenkflügel ausgerüstet ist. Ein solcher Schwenkantrieb, der auch als Schwenkflügelantrieb bezeichnet wird, stellt an der Antriebswelle, die mit dem Antriebsglied gekoppelt ist, ein Drehmoment zur Verfügung.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine erste Ausführungsform eines pneumatischen Aktorsystems mit einem einfachwirkenden Aktor, einer Drucksensoranordnung mit einem ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor, einer Auswerteeinrichtung, einer Sicherheitssteuerung und einer übergeordneten Steuerung,
2 eine zweite Ausführungsform eines pneumatischen Aktorsystems mit einem einfachwirkenden Aktor, einer sicherheitsgerichteten Drucksensoranordnung, einer Auswerteeinrichtung, einer Sicherheitssteuerung und einer übergeordneten Steuerung, und
3 eine dritte Ausführungsform eines pneumatischen Aktorsystems mit einem doppeltwirkender Aktor, einer Drucksensoranordnung mit insgesamt vier Drucksensoren, einer Auswerteeinrichtung, einer Sicherheitssteuerung und einer übergeordneten Steuerung.

Eine in der 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform eines Aktorsystems 1 umfasst einen rein exemplarisch als Pneumatikzylinder zur Bereitstellung einer linearen Bewegung ausgebildeten Aktor 2, der beispielhaft einfachwirkend ausgebildet ist. Ferner umfasst das Aktorsystem 1 als wesentliche Komponenten eine Drucksensoranordnung 10, eine Auswerteeinrichtung 15, eine Sicherheitssteuerung 82 und eine Pneumatiksteuerung 86, die elektrisch mit einer übergeordneten Steuerung 94 verbunden ist.
Bei allen drei in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen sind in die Sicherheitssteuerung 82, die Pneumatiksteuerung 86 und die übergeordnete Steuerung 94 jeweils gleichartig ausgebildet, so dass die nachstehende Beschreibung dieser Komponenten im Zusammenhang mit der 1 in gleicher Weise auch für einen in die Ausführungsform der 2 und 3 gelten.
Der Aktor 2 umfasst ein Aktorgehäuse 3, das rein exemplarisch einen Grundkörper 22, der mit einem kreisringförmigem Querschnitt längs einer Bewegungsachse 6 erstreckt ist, und jeweils endseitig am Grundkörper 22 abdichtend angebrachte Abschlussdeckel 23, 24 aufweist. Damit begrenzen eine kreiszylindrisch geformte Innenoberfläche 25 sowie eine Endfläche 26 des Abschlussdeckels 23 und eine Endfläche 27 des Abschlussdeckels 24 die Arbeitsausnehmung 7. In der Arbeitsausnehmung 7 ist ein rein exemplarisch als kreiszylindrischer Arbeitskolben ausgebildetes Antriebsglied 5 linearbeweglich und abdichtend aufgenommen, dessen erste Stirnfläche 29 zusammen mit einem Teilbereich der Innenoberfläche 25 und der Endfläche 26 einen größenvariablen ersten Arbeitsraum 7 begrenzt. An einer zweiten Stirnfläche 30 des Antriebsglieds 5 ist eine rein exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildete Kolbenstange 31 festgelegt, die sich längs der Bewegungsachse 6 erstreckt und die den Abschlussdeckel 24 beweglich durchsetzt. Zwischen der zweiten Stirnfläche 30 und der Endfläche 27 des Abschlussdeckels 24 ist eine Rückstellfeder 32 ausgebildet, die unabhängig von einer linearen Position des Antriebsglieds 5 stets eine innere Vorspannung aufweist. Rein exemplarisch ist eine Federkonstante der Rückstellfeder 32 derart gewählt, dass eine Beaufschlagung des Arbeitsraums 7 mit einem pneumatischen Arbeitsdruck, der einem bestimmungsgemäßen Maximaldruck für den Aktor 2 entspricht, zu einer vollständigen Kompression der Rückstellfeder 32 auf ihre Blocklänge führt.
Benachbart zum Abschlussdeckel 23 ist an einer Außenoberfläche 33 des Grundkörpers 22 ein erster Fluidanschluss 9 ausgebildet, der rein exemplarisch als Schlauchkupplung für eine erste Fluidleitung 96 ausgebildet ist, bei der es sich beispielsweise um einen Druckluftschlauch handeln kann. Zwischen dem ersten Fluidanschluss 9 und dem ersten Arbeitsraum 7 erstreckt sich ein erster Fluidkanal 8, so dass eine Belüftung und Entlüftung des ersten Arbeitsraums 7 über die erste Fluidleitung 96 vorgenommen werden kann.
Im Abschlussdeckel 23 ist eine erste Sensorausnehmung 34 eingebracht, die zur Aufnahme eines ersten Drucksensors 11 vorgesehen ist. Ferner ist im Abschlussdeckel 23 eine zweite Sensorausnehmung 35 eingebracht, die zur Aufnahme eines zweiten Drucksensors 12 vorgesehen ist. Die beiden Drucksensoren 11, 12 sind zur Ermittlung eines Fluiddrucks im ersten Arbeitsraum 7 ausgebildet. Rein exemplarisch sind die baulich separat ausgebildeten Drucksensoren 11, 12 jeweils als elektrische Drucksensoren konstruiert, die beispielhaft auf unterschiedlichen Messprinzipien zur Umsetzung eines Fluiddrucks in ein elektrisches Signal basieren. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der erste Drucksensor 11 verglichen mit dem zweiten Drucksensor 12 eine höhere Abtastrate sowie eine höhere Genauigkeit innerhalb eines kleineren ersten Druckintervalls aufweist und einen höheren Anschaffungspreis hat, während der zweite Drucksensor 12 verglichen mit dem ersten Drucksensor 11 eine geringere Abtastrate sowie eine geringere Genauigkeit innerhalb eines größeren zweiten Druckintervalls aufweist und einen geringeren Anschaffungspreis hat.
Der erste Drucksensor 11 ist über eine erste Sensorleitung 16 mit einem ersten Sensoranschluss 18 einer Auswerteeinrichtung 15 verbunden. Der zweite Drucksensor 12 ist über eine zweite Sensorleitung 17 mit einem zweiten Sensoranschluss 19 der Auswerteeinrichtung 15 verbunden.
Die Auswerteeinrichtung 15 dient zur Aufbereitung und Verarbeitung des ersten Drucksignals des ersten Drucksensors 11 sowie des zweiten Drucksignals des zweiten Drucksensors 12. Hierzu umfasst die Auswerteeinrichtung 15 einen nicht näher dargestellten Mikrocontroller oder Mikroprozessor, der mit einer geeigneten Programmierung (Software) versehen ist, um einen Vergleich des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals vornehmen zu können und in Abhängigkeit von Abweichungen zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal an einer Kommunikationsschnittstelle 80 der Auswerteeinrichtung 15 ein Zustandssignal bereitstellen zu können.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass in der Auswerteeinrichtung 15 eine Differenzbildung zwischen dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal vorgenommen wird und die ermittelte Differenz mit einem gespeicherten Schwellwert verglichen wird. Für den Fall, dass die ermittelte Differenz kleiner als der gespeicherte Schwellwert ist, kann beispielhaft vorgesehen sein, dass kein Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle 80 bereitgestellt wird oder dass alternativ ein Druckwerk, der aus dem ersten Drucksignal ermittelt wird, als Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle 80 bereitgestellt wird. Für den Fall, dass die ermittelte Differenz größer als der gespeicherte Schwellwert ist, kann vorgesehen sein, dass ein Fehlersignal als Zustandssignal an der Kommunikationsschnittstelle 80 bereitgestellt wird.
Die Kommunikationsschnittstelle 80 dient zur Kommunikation mit einer Sicherheitssteuerung 82 und ist über eine Buskommunikationsleitung 81 mit einem Eingangsanschluss 83 der Sicherheitssteuerung 82 verbunden. Die Aufgabe der Sicherheitssteuerung 82, die einen oder mehrere Mikroprozessoren oder Mikrocontroller umfassen kann, die jeweils mit einer geeigneten Programmierung (Software) versehen sind, besteht darin, bei Eintreffen eines Fehlersignals über die Buskommunikationsleitung 81 und den Eingangsanschluss 83 geeignete Maßnahmen zu treffen, um das Aktorsystem 1 in einen sicheren Zustand zu überführen.
Um dieser Aufgabe nachkommen zu können, ist die Sicherheitssteuerung 82 über einen Ausgangsanschluss 84 und eine Signalleitung 85 mit einer Pneumatiksteuerung 86 elektrisch verbunden. In der Pneumatiksteuerung 86 ist eine nicht näher gezeigte Ventilanordnung enthalten, die durch elektrische Steuersignale angesteuert werden kann, um eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und einer Druckluftquelle 87 oder einer Druckfluidsenke 88 herzustellen oder diese Verbindung zu sperren. Rein exemplarisch kann in der Pneumatiksteuerung 86 ein 3/3-Wegeventil angeordnet sein, bei dem es sich insbesondere um ein Magnetventil handelt, das insgesamt drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen kann. Hierbei kann in einer ersten Schaltstellung die fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Druckluftquelle 87 und dem ersten Arbeitsraum 7 hergestellt werden, in einer zweiten Schaltstellung eine vollständige fluidische Blockierung des ersten Arbeitsraums 7 vorgesehen sein und in der dritten Schaltstellung eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und der Druckfluidsenke 88 vorgesehen sein.
Die Sicherheitssteuerung 82 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, ein Steuersignal einer übergeordneten Steuerung 94, bei der es sich beispielsweise um eine Robotersteuerung eines kollaborativen Roboters handelt, das an die Pneumatiksteuerung 86 bereitgestellt wird, elektrisch zu unterbrechen. Für den Fall einer derartigen Unterbrechung des Steuersignals für die Pneumatiksteuerung 86 kann vorgesehen sein, dass die Ventilanordnung in der Pneumatiksteuerung 86 ohne weitere elektrische Energiezufuhr, beispielsweise durch eine Federvorspannung, in eine vorbestimmte Stellung, insbesondere in eine Entlüftungsstellung, überführt wird und dementsprechend der Aktor 2 in kurzer Zeit vollständig energiefrei wird.
Das in der 2 gezeigte Aktorsystem 41 unterscheidet sich vom Aktorsystem 1 lediglich durch eine sicherheitsgerichtet ausgebildete Drucksensoranordnung 42 sowie durch eine darauf angepasste Konfiguration der Auswerteeinrichtung 15, während die übrigen Komponenten dieses Aktorsystems 41 identisch zum Aktorsystem 1 sind.
Beim Aktorsystem 41 ist vorgesehen, dass der erste Drucksensor 43 und der zweite Drucksensor 44 zusammen mit einer Verarbeitungseinrichtung 45, bei der es sich um einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor handeln kann, die sicherheitsgerichtet ausgebildete Drucksensoranordnung 42 bilden. Diese sicherheitsgerichtet ausgebildete Drucksensoranordnung 42 führt in der Verarbeitungseinrichtung 45 eine Verarbeitung des ersten Drucksignals des ersten Drucksensors 43 sowie des zweiten Drucksignals des zweiten Drucksensors 44 durch und stellt lediglich dann einen aktuellen Druckwert, insbesondere einen aus dem ersten Drucksignal ermittelten Druckwert, als Statuswert über die Signalleitung 46 an die Auswerteeinrichtung 15 zur Verfügung, wenn die beiden ausgewerteten Drucksignale eine oder mehrere in der Verarbeitungseinrichtung hinterlegte(n) Bedingung(en) erfüllt bzw. erfüllen. Ansonsten wird von der Verarbeitungseinrichtung über die Signalleitung 46 ein Statuswert bereitgestellt, der einen Messfehler repräsentiert und der von der Auswerteeinrichtung 15 unmittelbar über die Kommunikationsschnittstelle 80 an die Sicherheitssteuerung 82 weitergeleitet werden kann, um den Aktor 2 durch entsprechende Ansteuerung der Pneumatiksteuerung 86 in einen sicheren Zustand zu bringen.
Bei der in der 3 dargestellten dritten Ausführungsform eines Aktorsystems 51 handelt es sich um eine Weiterbildung des Aktorsystems 1 gemäß der 1. Zum einen ist der Aktor 52 derart ausgebildet, dass er zusätzlich zum ersten Arbeitsraum 7 mit dem zugeordneten ersten Fluidkanal 8 und dem ersten Fluidanschluss 9 einen zweiten Arbeitsraum 57 aufweist, dem ein zweiter Fluidkanal 58 und ein zweiter Fluidanschluss 59 zugeordnet sind. Während bei einer Druckbeaufschlagung des ersten Arbeitsraums 7 über den ersten Arbeitsanschluss 89 und die zugeordnete erste Fluidleitung 96 eine gemäß der Darstellung der 3 nach rechts gerichtete Druckkraft auf das Antriebsglied 5 wirkt, wirkt bei einer Druckbeaufschlagung des zweiten Arbeitsraums 57 über den zweiten Arbeitsanschluss 90 und die zugeordnete zweite Fluidleitung 97 eine gemäß der Darstellung der 3 nach links gerichtete Druckkraft auf das Antriebsglied 5.
Zum anderen umfasst die Drucksensoranordnung 60 des Aktorsystems 51 neben dem ersten Drucksensor 11 und dem zweiten Drucksensor 12 einen dritten Drucksensor 61 und einen vierten Drucksensor 62. Dabei ist der dritte Drucksensor 61 in einer dritten Sensorausnehmung 63, die im Abschlussdeckel 24 ausgebildet ist, aufgenommen. Ferner ist der vierte Drucksensor 62 in einer vierten Sensorausnehmung 64, die im Abschlussdeckel 24 ausgebildet ist, aufgenommen. Dementsprechend weist die gegenüber der Auswerteeinrichtung 15 erweiterte Auswerteeinrichtung 65 zusätzlich einen dritten Sensoranschluss 68 auf, an dem die dritte Sensorleitung 66 des dritten Drucksensors 61 angeschlossen ist sowie einen vierten Sensoranschluss 69 auf, an dem die vierte Sensorleitung 67 des vierten Drucksensors 62 angeschlossen ist.
Abweichend von der Auswerteeinrichtung 15, die rein exemplarisch einen einzigen Mikroprozessor oder Mikrocontroller umfasst, weist die Auswerteeinrichtung 65 ein erstes Auswertemodul 70 sowie ein zweites Auswertemodul 71 auf, die jeweils als Mikroprozessor oder Microcontroller ausgebildet sind. Alternativ handelt es sich bei dem ersten Auswertemodul 70 und dem zweiten Auswertemodul 71 um separat auf einen gemeinsamen Prozessor ablaufende Computerprogramme, die eine getrennte Auswertung von Drucksignalen ermöglichen.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass das erste Auswertemodul 70 mit dem ersten Drucksensor 11 und dem dritten Drucksensor 61 elektrisch verbunden ist und zur Auswertung des ersten Drucksignals und des dritten Drucksignals eingesetzt wird. Ferner ist vorgesehen, dass das zweite Auswertemodul 71 mit dem zweiten Drucksensor 12 und dem vierten Drucksensor 62 elektrisch verbunden ist und zur Auswertung des zweiten Drucksignals und des vierten Drucksignals eingesetzt wird. Rein exemplarisch sind die beiden Auswertemodule 70, 71 gleichartig beschaffen und werden in gleicher Weise betrieben, wobei das Funktionsprinzip der hierzu eingesetzten Programme (Software) ebenfalls identisch ist.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass der erste Drucksensor 11 und der dritte Drucksensor 61 technisch identisch sind und eine hohe Messgeschwindigkeit (hohe Abtastrate) sowie eine hohe Messgenauigkeit aufweisen und dass der zweite Drucksensor 12 und der vierte Drucksensor 62 demgegenüber eine geringere Messgeschwindigkeit sowie eine geringere Messgenauigkeit aufweisen.
Bei einer derartigen Konfiguration der Drucksensoren 11, 12, 61, 62 kann beispielhaft vorgesehen sein, dass im ersten Auswertemodul 70 eine erste Differenz zwischen dem ersten Druckwert des ersten Drucksensors 11 und dem dritten Druckwert des dritten Drucksensors 61 ermittelt wird. Im zweiten Auswertemodul 71 wird eine zweite Differenz zwischen dem zweiten Druckwert des zweiten Drucksensors 12 und dem vierten Druckwert des vierten Drucksensors 62 ermittelt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das zweite Auswertemodul 71 nur dann den zweiten Druckwert des zweiten Drucksensors 12 über eine elektrische Direktverbindung 72 an das erste Auswertemodul 70 bereitstellt, sofern die zweite Differenz unterhalb eines vorgegebenen zweiten Schwellwerts liegt. Ferner kann vorgesehen sein, dass das erste Auswertemodul 70 nur dann einen Vergleich zwischen dem ersten Druckwert des ersten Drucksensors 11 und dem zweiten Druckwert des zweiten Drucksensors 12 vornimmt, wenn die erste Differenz unterhalb eines vorgegebenen ersten Schwellwerts liegt.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert von der Pneumatiksteuerung 86 über die Sicherheitssteuerung 82 an das erste Auswertemodul 70 und das zweite Auswertemodul 71 bereitgestellt werden und in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand für das Aktorsystem 1 stehen.
In einem nachfolgenden Schritt ist vorgesehen, dass das erste Auswertemodul 70 beispielsweise die erste Differenz zwischen dem ersten Druckwert des ersten Drucksensors 11 und dem dritten Druckwert des dritten Drucksensors 61 als Zustandssignal an die Kommunikationsschnittstelle 80 bereitstellt.
Ergänzend kann vorgesehen werden, eine Ausgabe des Zustandssignals davon abhängig zu machen, ob eine dritte Differenz zwischen dem ersten Druckwert und dem zweiten Druckwert unterhalb eines vorgegebenen dritten Schwellwerts liegt. Durch diesen zusätzlichen Prüfschritt wird die Zuverlässigkeit des ausgegebenen Zustandssignals erhöht, da die beiden Druckwerte, die für den ersten Arbeitsraum ermittelt wurden, miteinander verglichen werden und das Zustandssignal nur ausgegeben wird, wenn die dritte Differenz unterhalb des dritten Schwellwerts liegt.
Das Zustandssignal repräsentiert die Druckdifferenz zwischen dem ersten Arbeitsraum 7 und dem zweiten Arbeitsraum 57 und damit (unter Einbeziehung der jeweiligen pneumatisch wirksamen Flächen) die Kraftabgabe bzw. Drehmomentabgabe des Aktors 2.
Beispielhaft ist vorgesehen, dass der dritte Schwellwert von der Pneumatiksteuerung 86 über die Sicherheitssteuerung 82 an das erste Auswertemodul 70 und das zweite Auswertemodul 71 bereitgestellt werden und in Abhängigkeit von einem jeweiligen Betriebszustand für das Aktorsystem 1 steht.
Andernfalls stellt das erste Auswertemodul 70 ein Zustandssignal an der Kommunikationsschnittstelle 80 bereit, das einen Messfehler repräsentiert, wodurch die Sicherheitssteuerung 82 eine Abschaltung des Aktors 52 bewirkt.
Bei der Ausführungsform gemäß der 3 ist zusätzlich ein Positionsmesssystem 75 am Aktor 52 angebracht, mit dem eine Positionserfassung für das Antriebsglied 5 längs der Bewegungsachse 6 ermöglicht wird. Rein exemplarisch umfasst das Positionsmesssystem 75 einen am Antriebsglied 5 angebrachten Permanentmagneten 76 sowie eine Magnetsensorik 77, die beispielsweise einen oder mehrere nicht näher dargestellte Hall-Sensoren umfassen kann. Die Magnetsensorik 77 ist über eine Signalleitung 78 mit der Auswerteeinrichtung 65 verbunden, wobei ein von der Magnetsensorik 77 bereitgestelltes Positionssignal in der Auswerteeinrichtung 65, insbesondere im zweiten Auswertemodul 71, verarbeitet werden kann. Beispielhaft ist vorgesehen, dass aus einer zeitlichen Änderung des von der Magnetsensorik 77 bereitgestellten Positionssignals in Kombination mit dem ersten und/oder zweiten Drucksignal ein Rückschluss auf eine Kraftabgabe an der Kolbenstange 31 gezogen werden kann.

Claims

Pneumatisches Aktorsystem (1; 41; 61) für einen kollaborativen Roboter, mit einem Aktor (2; 52), der ein Aktorgehäuse (3) umfasst, in dem eine Arbeitsausnehmung (4) ausgebildet ist, in der ein Antriebsglied (5) beweglich aufgenommen ist, das mit der Arbeitsausnehmung (4) einen größenvariablen ersten Arbeitsraum (7) begrenzt, wobei das Aktorgehäuse (3) von einem ersten Fluidkanal (8) durchsetzt ist, der zwischen dem ersten Arbeitsraum (7) und einem außen am Aktorgehäuse (3) angeordneten ersten Fluidanschluss (9) erstreckt ist, sowie mit einer Drucksensoranordnung (10; 42; 60), die für eine Erfassung eines Arbeitsdrucks im ersten Arbeitsraum (7) ausgebildet ist und die elektrisch mit einer Auswerteeinrichtung (15; 65) verbunden ist, wobei die Drucksensoranordnung (10; 42; 60) einen ersten Drucksensor (11; 43) aufweist, der zur Bereitstellung eines ersten Drucksignals ausgebildet ist, und einen zweiten Drucksensor (12; 44) aufweist, der zur Bereitstellung eines zweiten Drucksignals ausgebildet ist, und wobei die Auswerteeinrichtung (15; 65) eine Kommunikationsschnittstelle (80) aufweist und zur Ermittlung eines, insbesondere ein vom Aktor (2; 52) bereitgestelltes Kraftniveau oder Drehmomentniveau angebendes, Zustandssignals in Abhängigkeit von dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal sowie zur Bereitstellung des Zustandssignals an der Kommunikationsschnittstelle (80) ausgebildet ist.
Pneumatisches Aktorsystem (1; 61) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drucksensor (11) und der zweite Drucksensor (12) jeweils separat ausgebildet sind und dass der erste Drucksensor (11) über eine erste Sensorleitung (16) mit der Auswerteeinrichtung (15; 65) verbunden ist und dass der zweite Drucksensor (12) über eine zweite Sensorleitung (17) mit der Auswerteeinrichtung (15; 65) verbunden ist.
Pneumatisches Aktorsystem (41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoranordnung (42) den ersten Drucksensor (43), den zweiten Drucksensor (44) sowie eine Verarbeitungseinrichtung (45), die für einen Vergleich des ersten Drucksignals mit dem zweiten Drucksignal ausgebildet ist, umfasst und über eine Signalleitung (46) mit der Auswerteeinrichtung (15) verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinrichtung (45) für eine Bereitstellung eines aus dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal ermittelten Statuswerts aus der Gruppe: aktueller Druckwert und Messfehler über die Signalleitung (46) an die Auswerteeinrichtung (15) ausgebildet ist.
Pneumatisches Aktorsystem (61) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (5) mit der Arbeitsausnehmung (4) einen zweiten, größenvariablen Arbeitsraum (57) begrenzt und dass das Aktorgehäuse (3) von einem zweiten Fluidkanal (58) durchsetzt ist, der zwischen dem zweiten Arbeitsraum (57) und einem zweiten, außen am Aktorgehäuse (3) angeordneten zweiten Fluidanschluss (59) erstreckt ist, wobei die Drucksensoranordnung (60) einen dritten Drucksensor (61) aufweist, der zur Bereitstellung eines dritten Drucksignals ausgebildet ist, und einen vierten Drucksensor (62) aufweist, der zur Bereitstellung eines vierten Drucksignals ausgebildet ist und wobei die Auswerteeinrichtung (65) zur Ermittlung des Zustandssignals in Abhängigkeit von dem ersten Drucksignal und dem zweiten Drucksignal und dem dritten Drucksignal und dem vierten Drucksignal sowie zur und Bereitstellung des Zustandssignals an der Kommunikationsschnittstelle (80) ausgebildet ist.
Pneumatisches Aktorsystem (61) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (65) ein erstes Auswertemodul (70) umfasst, das elektrisch mit dem ersten Drucksensor (11) und dem dritten Drucksensor (61) verbunden ist und dass die Auswerteeinrichtung (65) ein zweites Auswertemodul (71) umfasst, das elektrisch mit dem zweiten Drucksensor (12) und mit dem vierten Drucksensor (62) verbunden ist, und dass das erste Auswertemodul (70) elektrisch, insbesondere unmittelbar, mit dem zweiten Auswertemodul (71) verbunden ist.
Pneumatisches Aktorsystem (61) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drucksensor (11) und der dritte Drucksensor (61) jeweils als erster Sensortyp ausgebildet sind und dass der zweite Drucksensor (12) und der vierte Drucksensor (62) als zweiter Sensortyp ausgebildet sind, wobei der erste Sensortyp eine höhere Messgenauigkeit und/oder eine höhere Messgeschwindigkeit und/oder einen kleineren Messbereich als der zweite Sensortyp aufweist.
Pneumatisches Aktorsystem (61) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aktor (52) ein Positionsmesssystem (75) zugeordnet ist, das elektrisch mit der Auswerteeinrichtung (65) verbunden ist und das zur Bereitstellung eines Positionssignals in Abhängigkeit von einer Relativposition zwischen Antriebsglied (5) und Aktorgehäuse (3) ausgebildet ist und dass die Auswerteeinrichtung (65) für einen Abgleich eines aus dem Positionssignal ermittelten Messwerts aus der Gruppe: Position des Antriebsglieds (5), Geschwindigkeit des Antriebsglieds (5), Beschleunigung des Antriebsglieds (5), mit dem ersten Drucksignal und/oder dem zweiten Drucksignal ausgebildet ist.
Pneumatisches Aktorsystem (1; 41; 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kommunikationsschnittstelle (80) der Auswerteeinrichtung (15; 65) eine Sicherheitssteuerung (82) angeschlossen ist, die mit einer Pneumatiksteuerung (86) verbunden ist, wobei die Pneumatiksteuerung (86) wenigstens ein Pneumatikventil für eine Belüftung und Entlüftung des Aktors (2; 52) umfasst und wobei die Sicherheitssteuerung (82) für eine sicherheitsgerichtete Ansteuerung der Pneumatiksteuerung (86) ausgebildet ist.
Pneumatisches Aktorsystem (1; 41; 61) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (2) als Linearaktor ausgebildet ist und die Arbeitsausnehmung (4) als Längsbohrung im Aktorgehäuse (3) ausgebildet ist, in der ein längs einer Bewegungsachse (6) linearbeweglicher Kolben als Antriebsglied (5) aufgenommen ist, der mit einer längs der Bewegungsachse (6) erstreckten Kolbenstange (31) oder mit einem quer zur Bewegungsachse erstreckten Mitnehmer gekoppelt ist.
Pneumatisches Aktorsystem (1; 41; 61) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als Schwenkantrieb ausgebildet ist, wobei das Antriebsglied schwenkbeweglich um eine Schwenkachse in der zumindest bereichsweise kreiszylindrisch ausgebildeten Arbeitsausnehmung aufgenommen ist und mit einem in radialer Richtung von einer Antriebswelle abragenden Schwenkflügel ausgerüstet ist.