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Die Erfindung betrifft eine Manipulatoreinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Manipulatoreinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Manipulatoreinrichtungen in unterschiedlichster Bauform bekannt. Eine Manipulatoreinrichtung kann einen mehrachsigen Roboter umfassen, bei dem an den einzelnen Drehachsen Antriebe vorgesehen sind, um den jeweiligen Armkörper um die Drehachse zu drehen.
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Bei den bekannten Manipulatoreinrichtungen liegt aufgrund des Verbauens der einzelnen Antriebe an den Drehachsen der Schwerpunkt der Manipulatoreinrichtung hoch.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Manipulatoreinrichtungen bekannt, bei denen an einer zweiten Manipulatorachse der als Roboter ausgebildeten Manipulatoreinrichtung ein Antrieb für die zweite Manipulatorachse und ein Antrieb für die nachgelagerte dritte Manipulatorachse angeordnet sind. Der Antrieb für die dritte Manipulatorachse ist über eine Verbindungseinheit mit der dritten Manipulatorachse verbunden.
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Bei den Manipulatoreinrichtungen, bei denen zwei Antriebe für zwei unterschiedliche Drehachse an ein und derselben Drehachse angeordnet sind, hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass ein exaktes Positionieren der Manipulatoreinrichtung aufgrund der vorhandenen Toleranzen der einzelnen Komponenten der Manipulatoreinrichtung erschwert ist.
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Eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, eine Manipulatoreinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Manipulatoreinrichtung vorzuschlagen, bei der bzw. bei dem ein exaktes Positionieren erleichtert ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Manipulatoreinrichtung, wie Industrieroboter, mit einem Haltekörper, mit einem ersten Armkörper, mit einem zwischen ersten Armkörper und Haltekörper angeordneten ersten Gelenk, durch das der erste Armkörper relativ zum Haltekörper um eine erste Dreh- und/oder Schwenkachse bewegbar ist, mit einem zweiten Armkörper, mit einem zwischen erstem Armkörper und zweitem Armkörper angeordneten zweiten Gelenk, durch das der zweite Armkörper relativ zum ersten Armkörper um eine zweite Dreh- und/oder Schwenkachse bewegbar ist, mit mindestens einem an der ersten Dreh- oder Schwenkachse angeordneten ersten Antrieb, durch den der erste Armkörper um die erste Dreh- und/oder Schwenkachse bewegbar ist, mit mindestens einem an der ersten Dreh- oder Schwenkachse angeordneten zweiten Antrieb, mit mindestens einer den zweiten Antrieb mit dem zweiten Armkörper verbindenden Umlenkeinheit, wobei der zweite Armkörper durch das System aus zweitem Antrieb und Umlenkeinheit um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse bewegbar ist, mit mindestens einer Messeinheit, die am zweiten Gelenk angeordnet ist und durch die eine Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper erfassbar ist, und mit mindestens einer Steuereinheit, der die Messeinheit zugeordnet ist und durch die zumindest der zweite Antrieb in Abhängigkeit der durch die Messeinheit erfassten Position des zweiten Armkörpers ansteuerbar ist.
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Dadurch, dass die Manipulatoreinrichtung den ersten Antrieb zum Bewegen des ersten Armkörpers um die erste Dreh- und/oder Schwenkachse und den zweiten Antrieb zum Bewegen des zweiten Armkörpers um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse an ein und derselben Achse, nämlich an der ersten Dreh- und/oder Schwenkachse umfasst, ist der Schwerpunkt des Gesamtsystems der Manipulatoreinrichtung tiefergelegt. Hierdurch können durch die Manipulatoreinrichtung erhöhte Kräfte aufgenommen werden.
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Dadurch, dass das Positionieren des zweiten Armkörpers durch den zweiten Antrieb durch Erfassen der Position des zweiten Armkörpers durch die Messeinheit erfolgt, kann der zweite Armkörper verbessert und genauer bezüglich des ersten Armkörpers positioniert werden. Hierdurch ist ein genaues Positionieren des zweiten Armkörpers unabhängig von den Toleranzen der einzelnen Bauteile der Manipulatoreinrichtung ermöglicht.
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Der Haltekörper kann beispielsweise einen Sockel umfassen und um eine quer zur ersten Dreh- und/oder Schwenkachse verlaufenden Rotationsachse drehbar sein.
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Darüber hinaus kann der Haltekörper ebenfalls einen Armkörper umfassen, der seinerseits an einem Sockel festgelegt sein kann.
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Die gewählte Formulierung „erste Dreh- und/oder Schwenkachse“ sowie „zweite Dreh- und/oder Schwenkachse“ sowie „erster Armkörper und zweiter Armkörper“ sind losgelöst von ihrer wirklichen Positionierung der Manipulatoreinrichtung. So kann beispielsweise die erste Dreh- und/oder Schwenkachse eine zweite Manipulatorachse eines Manipulators umfassen und die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse eine dritte Manipulatorachse eines solchen Manipulators.
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Die Umlenkeinheit kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein, sofern sie dazu geeignet ist, eine Stellbewegung des zweiten Antriebs in Richtung auf den zweiten Armkörper zu übertragen. Bei einer Ausführungsform der Manipulatoreinrichtung erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Umlenkeinheit mindestens ein drehfest am zweiten Armkörper festgelegtes Armkörper-Hebelelement, mindestens ein drehfest am zweiten Antrieb festgelegtes Antriebs-Hebelelement und mindestens ein Armkörper-Hebelelement und Antriebs-Hebelelement verbindendes und drehbar an diesen gelagert, festgelegtes Verbindungselement umfasst.
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Das am zweiten Armkörper festgelegte Armkörper-Hebelelement kann ein separates, aber drehfest mit dem zweiten Armkörper verbundenes Bauteil umfassen oder einen Abschnitt des zweiten Armkörpers, wobei Armkörper-Hebelelement und zweiter Armkörper ein gemeinsames, einstückiges Bauteil bilden.
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Darüber hinaus kann das Antriebs-Hebelelement ein separates, aber drehfest mit dem zweiten Antrieb verbundenes Bauteil umfassen oder der zweite Antrieb und das Antriebs-Hebelelement ein gemeinsames einstückiges Bauteil bilden.
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Bei einer Ausführungsform der Manipulatoreinrichtung erweist es sich als vorteilhaft, wenn das System aus Armkörper-Hebelelement, Antriebs-Hebelelement, Verbindungselement und erster Armkörper ein Parallelogramm umfasst und/oder dass die erste Dreh- und/oder Schwenkachse und die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse parallel zueinander verlaufen.
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Wenn Armkörper-Hebelelement, Antriebs-Hebelelement, Verbindungselement und erster Armkörper ein Parallelogramm bilden, können Armkörper-Hebelelement und Antriebs-Hebelelement einerseits sowie Verbindungselement und erster Armkörper andererseits gleich lang ausgebildet sein.
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Wenn die erste Dreh- und/oder Schwenkachse und die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse parallel zueinander verlaufen, bewegen sich erster Armkörper und zweiter Armkörper in einer gemeinsamen oder zumindest in zwei zueinander parallelen Ebenen.
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Die Messeinheit kann grundsätzlich beliebig ausgebildet sein, sofern sie der technischen Funktion nachkommt, die Relativposition des zweiten Armkörpers zum ersten Armkörper festzustellen. Bei einer Ausführungsform der Manipulatoreinrichtung ist vorgesehen, dass die Messeinheit mindestens einen, insbesondere eine Mehrzahl von Messmarkierungen umfassenden Messring, der mittelbar oder unmittelbar am ersten Armkörper drehfest festgelegt ist, und dass die Messeinheit mindestens ein Abtastmittel umfasst, das mittelbar oder unmittelbar am zweiten Armkörper drehfest festgelegt ist und das bezüglich des Messrings derart angeordnet ist, dass ein relatives Bewegen des zweiten Armkörpers zum ersten Armkörper, insbesondere ein Vorbeibewegen des Messrings relativ zum Abtastmittel, durch das Abtastmittel erfassbar ist.
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In dem Zusammenspiel zwischen Messring und Abtastmittel ist ein genaues Bestimmen der Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper ermöglicht.
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Bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Abtastmittel mindestens einen optischen und/oder elektromagnetischen Sensor umfasst und/oder dass das Abtastmittel zweikanalig ausgebildet ist
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Wenn das Abtastmittel einen optischen Sensor umfasst, kann das Abtastmittel einfach und kostengünstig ausgebildet sein. Insbesondere ist solchenfalls der Messring kostengünstig ausbildbar. Wenn das Abtastmittel einen elektromagnetischen Sensor umfasst, erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Messring korrespondierend, insbesondere komplementär, ausgebildet ist.
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Wenn das Abtastmittel zweikanalig ausgebildet ist, ist die Messeinheit redundant ausbildbar. Solchenfalls kann bei Ausfall oder Beschädigung eines Kanals über den verbleibenden Kanal eine Messung gewährleistet werden.
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Um zu gewährleisten, dass der zweite Armkörper relativ zum ersten Armkörper in einer Position festgelegt werden kann sowie um zu gewährleisten, dass bei einer Notsituation, wie beispielsweise Stromausfall, die Gefahr einer Beschädigung der Manipulatoreinrichtung reduziert ist, umfasst ein Ausführungsbeispiel der Manipulatoreinrichtung mindestens eine Sicherungseinheit, die an der zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse zwischen dem ersten Armkörper und dem zweiten Armkörper angeordnet ist und die zumindest in Abhängigkeit der durch das Messmittel erfassten Position durch die Steuereinheit zum Festlegen gegen ein relatives Bewegen des zweiten Armkörpers zum ersten Armkörper ansteuerbar ist.
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Die Sicherungseinheit erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn der zweite Antrieb einen Direktantrieb umfasst. Solchenfalls sind der zweite Armkörper in der Position relativ zum ersten Armkörper automatisch festlegbar, wenn der Direktantrieb unbestromt ist. Hierdurch ist die Manipulatoreinrichtung energieeffizient betreibbar.
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Bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Sicherungseinheit mindestens ein Klemmmittel umfasst, das an der zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse am zweiten Armkörper oder am ersten Armkörper angeordnet ist, und wenn die Sicherungseinheit mindestens eine Aufnahme umfasst, die an der zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse am ersten Armkörper bzw. am zweiten Armkörper angeordnet ist, wobei die das Klemmmittel von einer Freigabestellung, in der der zweite Armkörper und der erste Armkörper für ein Drehen relativ zueinander um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse freigegeben sind, parallel zur zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse in eine Klemmstellung überführbar ist, in der das Klemmmittel in die Aufnahme reib- und/oder kraftschlüssig eingreift und zweiten Armkörper und ersten Armkörper gegen ein Drehen um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse relativ zueinander festlegt.
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Hierdurch ist ein mechanisches aneinander Festlegen der beiden Armkörper gewährleistet.
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Die Verwendung des Wortes „beziehungsweise“ wird hierbei im ursprünglichen Wortsinn verwendet. Das bedeutet, wenn am zweiten Armkörper das Klemmmittel angeordnet ist, ist am ersten Armkörper die Aufnahme angeordnet und umgekehrt.
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Darüber hinaus ist bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform vorgesehen, dass die mindestens eine Aufnahme, mindestens eine konzentrisch zur zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse verlaufende und in Richtung der zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse erstreckte Aussparung umfasst und/oder dass das mindestens eine Klemmmittel zumindest abschnittsweise konzentrisch zur zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse verlaufend und in Richtung der zweiten Dreh- und/oder Schwenkachse erstreckt ausgebildet ist.
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Hierdurch ist die Sicherungseinheit unabhängig von der Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper stufenlos in einer Vielzahl von Positionen festlegbar.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das mindestens eine Klemmmittel auf der der Aussparung der Aufnahme zugewandten Seite einen sich verjüngenden Führungsabschnitt und/oder wenn die Aussparung der Aufnahme auf der dem Klemmmittel zugewandten Seite einen, insbesondere trichterartig ausgebildeten, Aufnahmeabschnitt umfasst. Hierdurch lassen sich die aneinander liegenden Flächen vergrößern, wodurch durch die Sicherungseinheit höhere Kräfte aufnehmbar sind und eine verbesserte Klemmwirkung erzielbar ist.
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Das Klemmmittel kann in die Klemmstellung vorgespannt sein. Solchenfalls kann das Klemmmittel elektrisch, elektromagnetisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder mechanisch vorgespannt sein und durch ein entsprechend elektrisch, elektromagnetisches, pneumatisches, hydraulisches und/oder mechanisches, spannbares Federmittel in die Klemmstellung vorgespannt sein.
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Dadurch, dass das Klemmmittel in die Klemmstellung vorgespannt ist, kann gewährleistet werden, dass bei einem Notzustand, beispielsweise bei einem Stromaus der Manipulatoreinrichtung, das Klemmmittel automatisch in die Sperrstellung überführt wird. Hierdurch kann verhindert werden, dass bei einem Notaus der Manipulatoreinrichtung die Arme der Manipulatoreinrichtung in sich zusammenklappen und beschädigt werden können.
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Der erste Antrieb und/oder der zweite Antrieb können grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. Bei Ausführungsformen der Manipulatoreinrichtung erweist es sich als vorteilhaft, wenn der erste Antrieb und/oder der zweite Antrieb ein mechanisches oder elektromagnetisches Antriebsmittel umfasst.
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Bei einer Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform erweist es sich als vorteilhaft, wenn der ein elektromagnetisches Antriebsmittel umfassende erste Antrieb und/oder zweite Antrieb einen Direktantrieb umfasst, der insbesondere durch die Steuereinheit, wie Absolutwertgeber, zum Bewegen und/oder Festlegen mindestens eines Rotors des Direktantriebs zum mindestens einen Stator des Direktantriebs ansteuerbar ist.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Manipulatoreinrichtung, insbesondere Industrieroboter mit mindestens einem der zuvor genannten Merkmale mit den Schritten:
- a. Erfassen einer in der Steuereinheit hinterlegten SOLL-Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper;
- b. Erfassen der IST-Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper durch die mindestens eine Messeinheit;
- c. Ansteuern des zweiten Antriebs durch die Steuereinheit zum Bewegen des zweiten Armkörpers, bis die IST-Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper die SOLL-Position erreicht.
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Durch die Verfahrensschritte kann gewährleistet werden, dass der zweite Antrieb auf Grundlage der IST-Position des zweiten Armkörpers angesteuert wird, wodurch Toleranzen der einzelnen Komponenten der Manipulatoreinrichtung vernachlässigbar sind. Hierdurch kann der zweite Armkörper bezüglich seiner Genauigkeit verbessert bezüglich des ersten Armkörpers angeordnet werden.
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Das Verfahren lässt sich weiter durch ein Überführen der Sicherungseinheit von der Freigabestellung in die Klemmstellung verbessern, wenn
- a. die IST-Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper die SOLL-Position des zweiten Armkörpers relativ zum ersten Armkörper umfasst und/oder
- b. durch die Steuereinheit ein Notzustand, wie Stromausfall, erfasst wird.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Manipulatoreinrichtung und des Verfahrens.
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In der Zeichnung zeigt:
- 1 Eine perspektivische Vorderansicht auf ein Ausführungsbeispiel der Manipulatoreinrichtung;
- 2 Eine Detailansicht einer Messeinheit der Manipulatoreinrichtung gemäß 1;
- 3 Ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine perspektivische Vorderansicht auf eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 versehene Manipulatoreinrichtung. Die Manipulatoreinrichtung 2 zeigt bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen Industrieroboter.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 einen Sockel 4, an dem ein Haltekörper 6 um eine im Wesentlichen senkrechte Drehachse um den Sockel 4 drehbar ist. An dem Haltekörper 6 ist ein erster Armkörper 8 angeordnet. Dieser ist um eine erste Dreh- und/oder Schwenkachse 10 mittels eines ersten Gelenks 12 am Haltekörper 6 drehbar festgelegt.
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Darüber hinaus umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 einen zweiten Armkörper 14, der über ein zweites Gelenk 16 drehbar am ersten Armkörper 8 festgelegt ist. Hierbei ist der zweite Armkörper 14 um eine zweite Dreh- und/oder Schwenkachse 18 bewegbar.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 einen ersten Antrieb 20, der an der ersten Dreh- und/oder Schwenkachse 10 angeordnet ist. Ferner umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 an der ersten Dreh- und/oder Schwenkachse 10 einen zweiten Antrieb 22, durch den der zweite Armkörper 14 unter Verwendung einer Umlenkeinheit 24 um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse 18 bewegbar ist.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 eine Messeinheit 26, die am zweiten Gelenk 16 angeordnet ist und durch die eine Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 erfassbar ist. Die Manipulatoreinrichtung 2 umfasst zudem eine Steuereinheit 28 (in 1 schematisch dargestellt), der die Messeinheit 26 zugeordnet ist und durch die zumindest der zweite Antrieb 22 in Abhängigkeit der durch die Steuereinheit 28 erfassten Position des zweiten Armkörpers 14 ansteuerbar ist.
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Die Umlenkeinheit 24 umfasst ein drehfest am zweiten Armkörper 14 festgelegtes Armkörper-Hebelelement 30, ein drehfest am zweiten Antrieb 22 festgelegtes Antriebs-Hebelelement 32 und ein Armkörper-Hebelelement 30 und Antriebs-Hebelelement 32 verbindendes und drehbar an diesen gelagert festgelegtes Verbindungselement 34.
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Armkörper-Hebelelement 30 und Antriebs-Hebelelement 32 sowie Verbindungselement 34 und erster Armkörper 8 umfassen jeweils eine Länge, dass diese ein Parallelogramm bilden.
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2 zeigt eine Detailansicht der Messeinheit 26. Diese umfasst einen Messring 36, der mittelbar oder unmittelbar am ersten Armkörper 8 drehfest festgelegt ist sowie ein Abtastmittel 38, das mittelbar oder unmittelbar am zweiten Armkörper 14 drehfest festgelegt ist und das bezüglich des Messrings 36 derart angeordnet ist, dass ein relatives Bewegen des zweiten Armkörpers 14 zum ersten Armkörper 8, insbesondere ein Vorbeibewegen des Messrings 36 relativ zum Abtastmittel 38 erfassbar ist.
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Der Messring 36 kann eine Mehrzahl von Messmarkierungen umfassen.
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Darüber hinaus umfasst die Manipulatoreinrichtung 2 bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Sicherungseinheit 40, durch die der zweite Armkörper 14 relativ zum ersten Armkörper 8 festlegbar ist. Die Sicherungseinheit 40 (in den Figuren nur schematisch dargestellt), ermöglicht ein reib- und/oder kraftschlüssiges Festlegen des zweiten Armkörpers 14 am ersten Armkörper 8.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Manipulatoreinrichtung 2 gemäß der 1 und 2. Unter Zuhilfenahme der Darstellung gemäß 1 und 2 wird das Verfahren nachfolgend beschrieben:
- In einem ersten Schritt 100 wird eine in der Steuereinheit 28 hinterlegte SOLL-Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 erfasst.
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In einem hieran anschließenden Schritt 101 wird die IST-Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 durch die Messeinheit 26 erfasst.
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Hiernach wird in einem Schritt 102 der zweite Antrieb 22 durch die Steuereinheit 28 zum Bewegen des zweiten Armkörpers 14 angesteuert, bis die IST-Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 die SOLL-Position erreicht.
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Mit Blick in 1 wird beim Schritt 102 hierdurch das Antriebs-Hebelelement 32 durch den zweiten Antrieb 22 um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse 18 gedreht. Diese Bewegung wird über das Verbindungselement 34 an das Armkörper-Hebelelement 30 übertragen, welches drehfest am zweiten Armkörper 14 festgelegt ist. Die hierdurch übertragene Kraft führt zu einem Bewegen, insbesondere einem Drehen des zweiten Armkörpers 14 um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse 18.
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Optional kann in einem Schritt 103 ein Überführen der Sicherungseinheit 40 von einer Freigabestellung in eine Klemmstellung erfolgen, wenn die IST-Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 die SOLL-Position des zweiten Armkörpers 14 relativ zum ersten Armkörper 8 umfasst und/oder wenn durch die Steuereinheit 28 ein Notzustand, wie Stromausfall, erfasst wird. Hierdurch kann ein Bewegen des zweiten Armkörpers 14, insbesondere ein Drehen um die zweite Dreh- und/oder Schwenkachse 18 blockiert werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung, können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination in der Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Manipulatoreinrichtung
- 4
- Sockel
- 6
- Haltekörper
- 8
- erster Armkörper
- 10
- erste Dreh- und/oder Schwenkachse
- 12
- erstes Gelenk
- 14
- zweiter Armkörper
- 16
- zweites Gelenk
- 18
- zweite Dreh- und/oder Schwenkachse
- 20
- erster Antrieb
- 22
- zweiter Antrieb
- 24
- Umlenkeinheit
- 26
- Messeinheit
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Armkörper-Hebelelement
- 32
- Antriebs-Hebelelement
- 34
- Verbindungselement
- 36
- Messring
- 38
- Abtastmittel
- 40
- Sicherungseinheit
- 100- 103
- Verfahrensschritte
