DE102023105701A1

DE102023105701A1 - Roboterarmeinrichtung sowie Roboterarm mit einer solchen Roboterarmeinrichtung

Info

Publication number: DE102023105701A1
Application number: DE102023105701.4A
Authority: DE
Inventors: Patrick Daniel; Martin Kram
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-03-08
Filing date: 2023-03-08
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Roboterarmeinrichtung für einen Roboter (20), umfassend ein Strukturelement (6), das dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Roboters (20) Arbeitskräfte aufzunehmen, wobei an diesem Strukturelement (6) eine Bedieneinrichtung (8), umfassend ein Betätigungselement (11) und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit (9), angeordnet ist, wobei die Sensoreinheit (9) dazu ausgebildet ist, eine in das Betätigungselement (11) eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung zu erfassen und die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit (26) zu übermitteln, die anhand der übermittelten Daten Befehlssignale zur Steuerung wenigstens eines Antriebs (27) des Roboterarms (17) erzeugt, um eine Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboterarm (17) für einen Roboter (20), umfassend eine solche Roboterarmeinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Roboterarmeinrichtung sowie einen Roboterarm mit einer solchen Roboterarmeinrichtung.
Aus der EP 2 332 480 A2 geht ein Linearaktuator hervor, der an einem mehrachsigen Roboterarm bzw. Manipulator eines Operationsroboters befestigt ist. Der Manipulator trägt ein Werkzeug oder Instrument mittels eines Instrumentenhalters und bewirkt Bewegungen des Instruments relativ zu einer Basis. Der Manipulator kann durch ein steriles Tuch abgedeckt sein, während das Instrument dies möglicherweise nicht ist.
Es ist bekannt, dass das Werkzeug an einem Werkzeugträger eines Linearschlittens angeordnet ist, wobei der Linearschlitten manuell längsverlagert werden kann, um eine gewünschte Position des Werkzeugs einzustellen.
Es ist ferner bekannt, einen 3D-Sensor einzusetzen, um der übergeordneten Steuerung des Roboters eine Bewegungsrichtung zur Positionierung des Linearaktuators im Raum vorzugeben. Ein solcher 3D-Sensor ist üblicherweise an einem Roboterarmsegment des Roboterarms montiert. Dabei kann es zu einer Diskrepanz zwischen der eingebrachten Soll-Bewegungsrichtung und der durch den Arm ausgeführten Ist-Bewegung kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Roboterarmeinrichtung sowie einen Roboterarm bereitzustellen, die bzw. der eine fehlerunanfällige Positionierung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Roboterarmeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch einen Roboterarm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben der Roboterarmeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gemäß einem ersten Erfindungsaspekt wird eine Roboterarmeinrichtung für einen Roboter vorgeschlagen, umfassend ein Strukturelement, das dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Roboters Arbeitskräfte aufzunehmen, wobei an diesem Strukturelement eine Bedieneinrichtung, umfassend ein Betätigungselement und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit, angeordnet ist, wobei die Sensoreinheit dazu ausgebildet ist, eine in das Betätigungselement eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung zu erfassen und die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit zu übermitteln, wobei die Steuereinheit anhand der übermittelten Daten Befehlssignale zur Steuerung wenigstens eines Antriebs des Roboterarms erzeugt, um eine Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum auszuführen.
Dadurch wird eine Entkopplung bzw. Auftrennung von Arbeitskräften, die während des Betriebs des Roboters von extern in die Roboterarmeinrichtung eingebracht wird, und Sollkräften, die durch manuelle Betätigung des Betätigungselements durch einen Nutzer in die Roboterarmeinrichtung eingebracht wird, ermöglicht, so dass auf Basis der Sollwertvorgabe durch den Nutzer eine der Soll-Bewegungsrichtung entsprechende Ist-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung realisiert wird.
Arbeitskräfte im Sinn der Erfindung sind Kräfte, die beispielsweise im OP-Bereich während eines chirurgischen Eingriffs aufgrund einer Patientenverlagerung oder dergleichen auftreten können. Diese Kräfte werden zumindest mittelbar vom Strukturelement aufgenommen und in den Roboter, insbesondere in die Struktur des Roboterarms, abgeleitet.
Eine Sollwertvorgabe wird erzeugt, indem der Nutzer das Betätigungselement manuell betätigt, wobei die Sensoreinheit die Betätigung als Eingabebefehl erfasst und entsprechende Daten erzeugt. Diese erfassten Daten, insbesondere die Messdaten, werden von der Sensoreinheit an die übergeordnete Steuereinheit des Roboterarms und/oder des Roboters übermittelt oder von der entsprechenden Steuereinheit abgerufen und weiterverarbeitet, so dass wenigstens ein Antrieb des Roboterarms angesteuert wird. Die Ansteuerung des wenigstens einen Antriebs des Roboterarms erfolgt derart, dass eine Bewegung der Roboterarmeinrichtung der Bewegungsvorgabe bzw. Sollwertvorgabe des Nutzers am Betätigungselement folgt. Anders gesagt wird durch den Nutzer eine gewünschte Bewegung, also eine Soll-Bewegung, zur Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung über das Betätigungselement der Bedieneinheit vorgegeben, wobei die Steuereinheit diesen Eingabebefehl in entsprechende Befehlssignale umwandelt. Anhand dieser Befehlssignale erfolgt einer Steuerung und Regelung des wenigstens einen Antriebs des Roboterarms, derart, dass sich die Roboterarmeinrichtung in eine vom Nutzer gewünschte Position bewegt. Bei einem Roboterarm mit mehreren in Reihe geschalteten und über Gelenke verbundenen Roboterarmsegmenten sind eine Vielzahl von Antrieben vorgesehen, die in Folge der Eingabe des Nutzers zueinander verlagert und positioniert werden, bis die Roboterarmeinrichtung in der gewünschten Position ankommt. Die Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung wird beendet, wenn der Nutzer das Betätigungselement nicht mehr betätigt bzw. wenn von der Sensoreinheit keine Betätigung des Betätigungselements erfasst wird.
Die Steuereinheit ist eine Auswerte- und Steuereinheit, die Daten der Sensoreinheit empfangen und/oder anfordern sowie Befehlssignale erzeugen und an wenigstens einen Antrieb senden kann. Der Antrieb ist durch die Steuereinheit steuerbar und regelbar.
Vorzugsweise ist die Roboterarmeinrichtung eine Werkzeugführungseinheit. Insbesondere ist die Werkzeugführungseinheit ein Linearaktuator und/oder ein rotativer Aktuator ist. Als Werkzeugführungseinheit ist eine Einheit zu verstehen, die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Werkzeug aufzunehmen und zu führen. Die Werkzeugführungseinheit ist bevorzugt an einem von einer Basis bzw. einem Anbindungspunkt des Roboterarms entgegengesetzten Ende des Roboterarms angeordnet.
Der Linearaktuator ist zur Werkzeugführung eines Werkzeugs eingerichtet. Als Linearaktuator ist eine Vorrichtung zu verstehen, die eine Drehbewegung einer Antriebseinheit, insbesondere eines Motors, in eine lineare Bewegung umwandelt. Dies ermöglicht es, das daran angeordnete Werkzeug auf einer geraden Linie zu bewegen. Als Motor des Linearaktuator eignet sich insbesondere eine elektrische Maschine. Als rotativer Aktuator ist ein Aktuator zu verstehen, der am Werkzeug eine Drehzahl und ein Drehmoment erzeugt. Auch eine Kombination aus einem Linearaktuator und einem rotativen Aktuator ist denkbar.
An dem Strukturelement einer vorzugsweise als Linearaktuator ausgebildeten Roboterarmeinrichtung sind eine Werkzeugaufnahme sowie ein Linearschlitten mit einem Werkzeugträger angeordnet, wobei der Linearschlitten relativ zum Strukturelement und zur Werkzeugaufnahme längsverlagerbar angeordnet ist, wobei der Werkzeugträger dazu ausgebildet ist, ein Werkzeug aufzunehmen, und wobei die Werkzeugaufnahme dazu ausgebildet ist, das Werkzeug bei Längsverlagerung des Linearschlittens axial zu führen, wobei die Bedieneinrichtung im Bereich der Werkzeugaufnahme am Strukturelement angeordnet ist.
Als Strukturelement kann prinzipiell jedes Bauteil des Roboterarms verstanden werden, das für den Nutzer zugänglich, insbesondere manuell betätigbar, ist. Vorzugsweise ist das Strukturelement ein Gehäuse, ein Gehäuseabschnitt oder ein Rahmenteil des Roboterarms. Bevorzugt ist das Strukturelement ein Gehäuse, ein Gehäuseabschnitt oder ein Rahmenteil eines Roboterarmsegments.
Der genannte Linearaktuator ist dazu ausgebildet, zum Beispiel über das Strukturelement an einem Roboterarm eines Roboters, insbesondere einem Roboterarmsegment des Roboterarms, verschwenkbar angeordnet zu sein. Am Linearaktuator ist je nach Anwendungsfall des Roboters ein Werkzeug längsverlagerbar angeordnet. Das Werkzeug kann beispielsweise im Fall eines Operations-Roboters, nachfolgend auch OP-Roboter genannt, ein Instrument sein, das für einen chirurgischen Eingriff zum Einsatz kommen kann. Das Werkzeug kann insbesondere ein Greifarm, ein Rohr zur Aufnahme eines oder mehrerer weiterer Elemente oder Werkzeuge, ein Bohrer oder dergleichen sein. Im OP-Bereich kann das Instrument insbesondere ein Trokar bzw. ein Trokarhalter sein. Jedenfalls ist das Werkzeug ein längliches Bauteil, dass zum einen am Werkzeugträger angeordnet bzw. aufgenommen ist und zum anderen durch die Werkzeugaufnahme axial geführt ist.
Der Linearschlitten ist eine Plattform, auf der der Werkzeugträger, insbesondere lösbar, angeordnet ist. Der Werkzeugträger kann also lösbar, also auswechselbar, am Linearschlitten angeordnet sein. Der Linearschlitten ist entlang einer Führungsvorrichtung, insbesondere einer Führungsschiene, oder dergleichen am Strukturelement geführt. Die Einstellung einer Längsposition des Linearschlittens relativ zum Strukturelement kann manuell, teilautomatisch und/oder vollautomatisch erfolgen.
Der Werkzeugträger weist Mittel zur Aufnahme des Werkzeugs auf. Wenn das Werkzeug ein Bohrer oder dergleichen ist, kann der Werkzeugträger ein Bohraufnahmefutter oder dergleichen aufweisen. Der Werkzeugträger umfasst vorzugsweise eine Antriebseinheit, die dazu vorgesehen ist, das Werkzeug zu betätigen. Die Antriebseinheit kann ein Aktuator sein oder umfassen, der beispielsweise als elektrische Maschine ist, wobei bei Betätigung der Antriebseinheit das Werkzeug beispielsweise in eine rotative Bewegung versetzbar ist. Alternativ kann, wenn das Werkzeug ein Greifer oder dergleichen ist, eine Greifbewegung ausgeführt werden. Mit anderen Worten wird das Werkzeug am Werkzeugträger nicht nur aufgenommen, sondern auch angetrieben. Mittels des Linearschlittens und des daran angeordneten Werkzeugträgers ist das Werkzeug also linear verfahrbar sowie, falls erforderlich, betätigbar, also antreibbar. Über den Werkzeugträger kann ferner eine Elektronik, insbesondere elektrische Leitungen, zum Werkzeug geführt sein.
Die Werkzeugaufnahme ist dazu ausgebildet, das Werkzeug während der Längsverlagerung des Linearschlittens in dessen axialer Richtung zu führen sowie in dessen radialer Richtung abzustützen. Über die Werkzeugaufnahme werden auf das Werkzeug einwirkende Querkräfte aufgenommen. Derartige seitliche Kräfte können beispielsweise im OP-Bereich aufgrund einer Patientenverlagerung auftreten. Die Kräfte werden von der Werkzeugaufnahme aufgenommen und auf das Strukturelement, mit dem die Werkzeugaufnahme fest verbunden ist, übertragen und in die Struktur des Roboterarms abgeleitet.
Die Bedieneinrichtung ist im Linearaktuator, und somit an keinem anderen Roboterarmsegment des Roboterarms, integriert, wodurch eine bessere Handhabbarkeit zur Positionierung des Linearaktuators während der Nutzung des Roboters realisiert wird. Dadurch, dass die Bedieneinrichtung mit dem Betätigungselement und der Sensoreinheit im Bereich der Werkzeugaufnahme am Strukturelement angeordnet ist, erfolgt neben der Kraftabstützung während des Betriebs des Roboters zudem eine manuelle Manipulation des Roboterarms an einem gemeinsamen Punkt des Linearaktuators. Durch die Manipulation des Roboterarms, insbesondere des Linearaktuators, kann der Linearaktuator sowie das Werkzeug zum zu bearbeiteten Gegenstand oder dem zu behandelnden Patienten im Raum ausgerichtet und positioniert werden. Im OP-Bereich kann durch einen Bediener oder Nutzer des Roboters bzw. einen Operateur ein sogenanntes „Teach-In“ bzw. ein Anlernen des Linearaktuators erfolgen, wobei das am Linearaktuator angeordnete Werkzeug für den Eingriff an den Patienten heranführbar und positionierbar ist.
Die Positionierung des Linearaktuators im Raum erfolgt demnach, in dem der Nutzer über die Bedieneinrichtung eine Bewegungsrichtung des Linearaktuators vorgibt. Dabei werden die über das Betätigungselement auf den Linearaktuator eingebrachten manuellen Betätigungskräfte von der Sensoreinheit erfasst. Die Sensoreinheit ist mit der Steuereinheit kommunizierend verbunden, wobei von der Sensoreinheit erfasste Messdaten, die infolge der manuellen Betätigung des Betätigungselements erzeugt werden, an die Steuereinheit übertragen werden. Die Messdaten werden von der Steuereinheit verarbeitet und zu Befehlssignalen zur Steuerung und Regelung wenigstens eines Antriebs des Roboters und/oder des Roboterarms umgewandelt werden. Die Sensoreinheit ist vorzugsweise eine Kraft-Sensoreinheit.
Bevorzugt ist das Betätigungselement eine Spacemouse oder ein sogenannter 3-Achsen-Joystick bzw. 3D-Joystick. Eine „Spacemouse“ ist ein an sich bekanntes Eingabegerät, das dazu ausgebildet ist, den Roboterarm zur Positionierung des Linearaktuators im Raum zu manipulieren. Es handelt sich um ein ergonomisches Gerät, das der Nutzer in der Hand halten kann. Die Spacemouse ist eine Art Joystick, der mehrere Tasten und/oder eine Navigationskugel aufweisen kann. Der 3D-Joystick ist ein ebenfalls an sich bekanntes Eingabegerät, das beispielsweise eine Gelenkaufnahme, beispielsweise in Form einer Gelenkpfanne, umfasst, die einen Gelenkkopf gelenkig aufnimmt und translatorische Bewegungen desselben verhindert. Die Bewegung des Gelenkkopfes relativ zur Gelenkaufnahme ist erfassbar, wobei anhand der erfassten Messdaten Befehlssignale zur Steuerung und Regelung des zumindest einen Antriebs des Roboterarms erzeugbar sind.
Die Sensoreinheit kann derart ausgebildet sein, dass sie Bewegungen des Betätigungselements der Bedieneinrichtung in ein bis sechs Achsen bzw. Dimensionen auslesen kann. Je vielseitiger das Betätigungselement betätigt und je genauer die Sensoreinheit diese Bewegungen erfassen kann, desto genauer kann der Linearaktuator im Raum positioniert werden. Die Bedieneinrichtung ist so eingerichtet, dass der Nutzer den Linearaktuator mit nur einer Hand in seiner Position einstellen kann. Das Betätigungselement ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass der Nutzer es mit seiner Hand wenigstens teilweise umgreifen kann. Das Betätigungselement kann eine für die Hand des Nutzers ergonomische äußere Form aufweisen.
Das Betätigungselement kann zudem ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Wenn die Sensoreinheit innerhalb des Betätigungselements angeordnet ist, kann eine mehrteilige Ausgestaltung des Betätigungselements vorteilhaft sein, um eine Montage der Bedieneinrichtung, insbesondere der Sensoreinheit, zu vereinfachen.
Die Sensoreinheit kann ferner so ausgelegt sein, dass sie erfassen kann, wenn der Linearaktuator auf ein Hindernis stößt. Alternativ können am Antrieb des Roboters, insbesondere des Roboterarms, Mittel vorgesehen sein, die erfassen, wenn der Linearaktuator auf ein Hindernis stößt. Dies kann beispielsweise durch Messung oder Überwachung eines elektrischen Stroms in dem mindestens einen Antrieb des Roboterarms erfolgen. Insbesondere bei als sogenannter „Cobot“ ausgebildeten Robotern ist eine derartige Weiterbildung vorteilhaft.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Werkzeugaufnahme einen brückenförmigen Träger, wobei der Träger eine erste Aussparung zur axialen Führung des Werkzeugs umfasst, und wobei die Bedieneinrichtung wenigstens teilweise räumlich innerhalb des Trägers angeordnet ist. Die erste Aussparung kann direkt am Träger oder an einer Ausformung des Trägers angeordnet sein. Das Werkzeug wird bei Befestigung am Werkzeugträger zusätzlich durch die erste Aussparung am Träger axial hindurchgeführt. Vorzugsweise ist das Werkzeug derart ausgebildet, dass seine Außenmantelfläche komplementär zur Innengeometrie der ersten Aussparung ausgebildet ist, um eine sichere axiale Führung sowie radiale Abstützung von Querkräften zu ermöglichen.
Als brückenförmiger Träger ist ein Bauteil oder Abschnitt der Werkzeughalterung zu verstehen, das bzw. der einen räumlich innenliegenden Frei- bzw. Hohlraum aufweist, der wiederum so ausgeformt ist, dass die Bedieneinrichtung wenigstens teilweise darin aufgenommen ist aber nicht mit dem Träger in Kontakt kommt, sodass eine sichere Betätigung des Betätigungselements sichergestellt ist. Mithin sind das Betätigungselement und/oder die Sensoreinheit räumlich innerhalb der Werkzeugaufnahme angeordnet, wobei keine Berührung zwischen diesen Elementen der Bedieneinrichtung und dem Träger direkt erfolgt. Die Bedieneinrichtung ist also frei von Kontaktpunkten oder -flächen mit dem Träger des Werkzeughalters, sondern ist lediglich am Strukturelement angeordnet. Damit wird sichergestellt, dass das Betätigungselement zur Positionierung des Linearaktuators im dreidimensionalen Raum ungehindert betätigt werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Strukturelement und die Werkzeugaufnahme einteilig ausgebildet sind. Das Strukturelement und die Werkzeugaufnahme können aus einem Teil gefertigt sein. Durch die einteilige Ausgestaltung wird eine hohe Steifigkeit des Systems realisiert, wodurch insbesondere auf den Linearaktuator einwirkende Querkräfte optimale aufgenommen und in den Roboterarm abgeleitet werden können.
Denkbar ist jedoch, dass das Strukturelement und die Werkzeugaufnahme vor der Montage zunächst zweiteilig ausgestaltet sind und während der Montage fest miteinander verbunden werden. Dies kann sowohl eine Schraubverbindung als auch eine Schweißverbindung sein.
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Werkzeugaufnahme ein am Strukturelement befestigtes Basiselement sowie einen Aufnahmekörper, wobei der Aufnahmekörper eine erste Aussparung umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Werkzeug in dessen axialer Richtung zu führen, und wobei das Basiselement am Strukturelement befestigt ist. Das Basiselement ist als Träger im Sinn der vorherigen Ausführungen zu verstehen und ist fest, insbesondere einteilig, mit dem Strukturelement verbunden.
Das Werkzeug wird bei Befestigung am Werkzeugträger zusätzlich durch die erste Aussparung am Aufnahmekörper axial hindurchgeführt. Vorzugsweise ist das Werkzeug derart ausgebildet, dass seine Außenmantelfläche komplementär zur Innengeometrie der ersten Aussparung ausgebildet ist, um eine sichere axiale Führung und radiale Abstützung von Querkräften zu ermöglichen.
Bevorzugt ist das Basiselement zur Aufnahme eines Betätigungsstifts der Sensoreinheit wenigstens abschnittsweise hülsenförmig ausgebildet, wobei das Betätigungselement das Basiselement wenigstens teilweise umgibt und frei von Kontaktflächen mit dem Basiselement ist, wobei am Basiselement Durchbrüche ausgebildet sind, durch die ein Steg des Betätigungselements hindurchgeführt und am Betätigungsstift der Sensoreinheit befestigt ist. Mit anderen Worten ist das Basiselement wenigstens abschnittsweise rohrförmig ausgebildet und umgibt den Betätigungsstift der Sensoreinheit räumlich, ohne in Kontakt damit zu kommen. Die Bedieneinrichtung ist demnach als 3D-Joystick ausgebildet.
Der Betätigungsstift ist lediglich mit dem Betätigungselement der Bedieneinrichtung mechanisch verbunden, beispielsweise durch Schrauben oder dergleichen, sodass der Betätigungsstift der Sensoreinheit bei einer auf das Betätigungselement manuell eingebrachten Betätigungskraft zur Positionierung des Linearaktuators ebenfalls betätigt wird. Die Sensoreinheit ist dazu ausgebildet, Bewegungen des Betätigungsstifts zu Messdaten zu verarbeiten, um den wenigstens einen Antrieb des Roboterarms zur Positionierung des Linearaktuators im Raum anzusteuern.
Die Sensoreinheit weist neben dem Betätigungsstift vorzugsweise einen einteilig damit verbundenen und im Wesentlichen kugelförmig ausgebildeten Gelenkkopf auf, der in einer Gelenkaufnahme, insbesondere einer Gelenkpfanne oder dergleichen aufgenommen und beweglich angeordnet ist. Durch diese Geometrie ist der Betätigungsstift mit dem Gelenkkopf zumindest dreiachsig drehbar, wobei translatorische Bewegungen relativ zum Strukturelement nicht möglich sind. Die Gelenkpfanne kann am Strukturelement ausgebildet sein oder mit dem Strukturelement, insbesondere lösbar, verbunden sein.
Vorteilhaft ist, wenn das Betätigungselement mehrteilig ausgebildet ist, wobei Segmente des Betätigungselements nach Montage der Sensoreinheit miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verschrauben oder durch miteinander formschlüssige verbindbare Elemente. Das Betätigungselement kann aus dünnwandigen Segmenten aus Kunststoff oder Blech ausgebildet sein und eine Topf- oder Tassenform aufweisen. Der Steg, der frei von Berührungspunkten oder -flächen durch die Durchbrüche des Basiselements hindurchgeführt ist, kann dabei zusammen mit dem Basiselement der Werkzeugaufnahme räumlich innerhalb des topf- bzw. tassenförmigen Betätigungselements angeordnet sein. Die Durchbrüche sind bevorzugt durch elastische Elemente abgedichtet, um den Innenraum des Linearaktuators, insbesondere der Bedieneinrichtung, vor dem unerwünschten Eintritt von Schmutz oder Flüssigkeit zu schützen.
Der Aufnahmekörper kann je nach Anforderung ein- oder mehrteilig mit dem Basiselement verbunden sein. Eine einteilige Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn eine besonders sichere axiale Führung des Werkzeugs am Werkzeughalter und gegebenenfalls eine kompaktere Ausgestaltung des Werkzeughalters gefordert ist. Mithin realisiert eine einteilige Ausführung eine vergleichsweise hohe Steifigkeit.
Andererseits kann eine mehrteilige Ausgestaltung vorteilhaft sein, um beispielsweise eine Position des Linearaktuators im Raum festsetzen bzw. sichern zu können. In diesem Sinn ist der Aufnahmekörper bevorzugt lösbar am Basiselement angeordnet, wobei der Aufnahmekörper eine komplementär zu einem axialen Abschnitt des Betätigungsstifts ausgeformte zweite Aussparung aufweist, wobei, wenn der Aufnahmekörper am Basiselement befestigt ist, der axiale Abschnitt des Betätigungsstifts in der zweiten Aussparung axial aufgenommen und radial abgestützt ist. Damit kann zwischen zwei Betriebsmodi gewechselt werden.
Wenn der Aufnahmekörper nicht mit dem Basiselement lösbar verbunden ist, ist auch der axiale Abschnitt des Betätigungsstifts nicht in der zweiten Aussparung aufgenommen, wodurch der Betätigungsstift der Sensoreinheit relativ zum Werkzeughalter beweglich ist. Somit kann das mit dem Betätigungsstift mechanisch verbundene Betätigungselement durch den Nutzer betätigt und folglich ein Eingabebefehl für die Positionierung des Linearaktuators durch die Sensoreinheit sensiert werden. Dies ist als manuell initiierte Einstellung der Position des Linearaktuators im Raum zu verstehen. Hierbei kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, eine eingestellte Position des Linearaktuators elektronisch zu blockieren.
Beispielsweise wenn eine gewünschte Position des Linearaktuators im Raum eingestellt wurde, kann der Aufnahmekörper mit dem Basiselement des Werkzeughalters lösbar verbunden werden, wobei der axiale Abschnitt des Betätigungsstifts gleichzeitig in die zweite Aussparung eingeschoben wird, so dass eine translatorische Bewegung des Betätigungsstifts relativ zum Aufnahmekörper verhindert wird. Da das Basiselement des Werkzeughalters fest mit dem Strukturelement verbunden ist, wird so eine Bewegung des Betätigungsstifts relativ zum Werkzeughalter bzw. dem Strukturelement verhindert bzw. blockiert. Infolgedessen kann das mit dem Betätigungsstift mechanisch verbundene Betätigungselement durch den Nutzer nicht bewegt und folglich kein Eingabebefehl durch die Sensoreinheit sensiert werden, um eine Positionseinstellung des Linearaktuators im Raum zu initiieren bzw. auszuführen. Damit kann eine ungewollte Betätigung des Linearaktuators verhindert werden, wodurch beispielsweise im OP-Bereich die Sicherheit des Operateurs und des Patienten erhöht wird. Alternativ oder ergänzend kann ein Automatikmodus realisiert werden, bei dem nur eine computergestützte Verstellung des Linearaktuators im Raum erfolgen kann. Dies ist als wenigstens teilautomatisch erfolgende Einstellung der Position des Linearaktuators im Raum zu verstehen.
Vorzugsweise weist das Strukturelement auf einer der Werkzeugaufnahme entgegengesetzten Seite eine Montageöffnung zur Montage der Bedieneinrichtung auf. Diese Seite des Strukturelements wird nachfolgend auch als Unterseite des Strukturelements bezeichnet, wenngleich sie je nach Position des Linearaktuators im Raum nicht zwingend dem Boden zugewandt sein muss. Durch die Montageöffnung wird die Bedieneinrichtung am Strukturelement fixiert und kann, beispielsweise für Instandhaltungsmaßnahmen, in einfacher Weise demontiert und gegebenenfalls ausgetauscht werden. Dies kann je nach Ausgestaltung des Linearaktuators auch dann umgesetzt werden, wenn das Werkzeug bereits am Werkzeugträger angebunden und durch den Werkzeughalter gehalten ist. Mithin ist die Bedieneinrichtung durch die Montageöffnung besser zugänglich. Bevorzugt ist die Montageöffnung von einem Deckel verschließbar ausgebildet. Das Strukturelement weist demnach Mittel zur Aufnahme eines Deckels auf, beispielsweise in Form von Scharnieren und/oder Formschlusselementen.
Bevorzugt ist an der Bedieneinrichtung wenigstens ein Schalter angeordnet. Der wenigstens eine Schalter ist dazu ausgebildet, zwischen Schaltzuständen zu schalten. Der wenigstens eine Schalter kann ein mechanischer Schalter am Betätigungselement sein, der kommunizierend mit der Steuereinheit des Roboters verbunden ist. Denkbar ist auch, dass am Betätigungselement ein Touchscreen angeordnet ist mit einem oder mehreren Tasten als Schalter im Sinn der Erfindung.
Der Linearaktuator gemäß den vorherigen Ausführungen ist gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt in einem Roboterarm für einen Roboter einsetzbar. Als Roboter ist ebenfalls ein Manipulator zu verstehen. Entsprechend ist als Roboterarm ebenfalls ein Manipulatorarm zu verstehen. Der Roboter kann einen oder mehrere solcher Roboterarme aufweisen, die separat voneinander steuerbar sind. Vorzugsweise ist die Roboterarmeinrichtung ein Roboterarmsegment, dass an einem in Bezug auf eine Basis des Roboterarms entgegengesetzten Ende des Roboterarms angeordnet ist. Insbesondere ist die Roboterarmeinrichtung eine Werkzeugführungseinheit, die gelenkig an dem in Bezug auf die Basis des Roboterarms entgegengesetzten Ende des Roboterarms befindlichen Roboterarmsegment gelenkig angeordnet ist. Indem die Bedieneinrichtung direkt an der jeweiligen Roboterarmeinrichtung angeordnet ist, kann eine Positionierung der jeweiligen Roboterarmeinrichtung besonders benutzerfreundlich erfolgen, insbesondere im Vergleich zu Roboterarmen, bei denen die Bedieneinrichtung an einem der Roboterarmsegmente angeordnet ist. Zudem wird realisiert, dass an der Roboterarmeinrichtung zum einen Arbeitskräfte abgeleitet und getrennt bzw. entkoppelt davon Sollkräfte in Form von Sollwertvorgaben bzw. Bedienkräfte über die Bedieneinheit in die Roboterarmeinrichtung eingeleitet werden können, um die Roboterarmeinrichtung möglichst genau an die gewünschte Position im dreidimensionalen Raum zu bewegen.
Der dreidimensionale Raum kann mit einem Koordinatensystem beschrieben werden, das drei unabhängige Variablen beinhaltet, z.B. x, y und z. Mithin ist die Bedieneinheit derart eingerichtet und das System derart ausgelegt, dass die Roboterarmeinrichtung durch entsprechende Betätigung des Betätigungselements und entsprechende Ansteuerung des wenigstens einen Antriebs des Roboterarms in x-Richtung, in y-Richtung, in z-Richtung oder einer Kombination aus mindestens zwei der genannten Richtungen bewegt werden kann.
Der Roboter kann ein sogenannter Knickarmroboter sein, dessen Roboterarm eine Basis sowie mehrere hintereinander angeordnete und über Gelenke miteinander verbundene Roboterarmsegmente aufweist. An dem der Basis entgegengesetzten Ende des Roboterarms ist der Linearaktuator gelenkig angeordnet. Anders gesagt ist zwischen dem Linearaktuator und einem daran angrenzenden Roboterarmsegment ebenfalls ein Gelenk angeordnet. Der Roboter ist derart ausgebildet, dass eine Steuereinheit des Roboters einen oder mehrere Antriebe zur Positionierung der Roboterarmsegmente sowie des Linearaktuators im Raum ansteuern kann. Jedes der Gelenke kann als Drehgelenk ausgebildet sein. Jedes Roboterarmsegment ist dazu ausgebildet, Kräfte und Momente, welche insbesondere von einem am Linearaktuators angeordneten Werkzeug, das durch den Linearaktuator längsverlagerbar ist, aufzunehmen und von einem Gelenk an ein folgendes Gelenk bis zur Basis weiterzuleiten. Daneben werden auch Kräfte und Momente, welche von der Eigengewichtskraft des Roboterarms stammen, in die Basis des Roboterarms weitergeleitet. Jedes Roboterarmsegment des Roboterarms weist dazu mindestens ein Strukturteil auf, das ausgebildet ist, diese Kräfte und Momente aufnehmen und weiterleiten zu können.
Der Linearaktuator eignet sich insbesondere für den Einsatz in einem OP- bzw. Operationsroboter. Ein OP-Roboter ist ein Robotersystem, das speziell für die Fernsteuerung von Instrumenten und/oder Endoskopen bei chirurgischen Eingriffen ausgelegt ist. OP-Roboter verwenden einen, vorzugsweise mehrere Roboterarme, um den Operateur bei der Manipulation der Instrumente bzw. Endoskope zu unterstützen. OP-Roboter werden häufig eingesetzt, um minimalinvasive Operationen durchzuführen. Die Erfindung sieht demnach ferner einen Operationsroboter zur Ausführung chirurgischer Eingriffe vor, der wenigstens einen Roboterarm mit einem daran angeordneten, erfindungsgemäßen Linearaktuator aufweist.
Der Linearaktuator eignet sich ebenfalls für den Einsatz in einem Cobot. Ein Cobot, auch bekannt als Co-Roboter oder kollaborativer Roboter, ist ein Robotersystem, das dafür konzipiert ist, mit Menschen zusammenzuarbeiten. Cobots kommen in verschiedenen Industriezweigen zum Einsatz, wie z.B. der Automobilindustrie, der Logistik oder der Medizintechnik. Sie sind in der Regel kleiner, flexibler und weniger gefährlich als herkömmliche Industrieroboter. Cobots sind in der Lage, eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen, wie z.B. das Heben schwerer Lasten, das Greifen von Gegenständen und das Verarbeiten von Werkstücken. Sie können auch für komplexe Aufgaben wie die Erkennung von Objekten verwendet werden. Cobots weisen Sicherheitssysteme auf, die einen Kontakt mit mitarbeitenden Menschen verhindern sollen. Die Erfindung sieht demnach ferner einen kollaborativen Roboter vor, der wenigstens einen Roboterarm mit einem daran angeordneten, erfindungsgemäßen Linearaktuator aufweist.
Gemäß einem dritten Erfindungsaspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Roboterarmeinrichtung für einen Roboter vorgeschlagen, die Roboterarmeinrichtung umfassend ein Strukturelement, das dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Roboters Arbeitskräfte aufzunehmen, wobei an diesem Strukturelement eine Bedieneinrichtung, umfassend ein Betätigungselement und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit, angeordnet ist, wobei mittels der Sensoreinheit eine in das Betätigungselement eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung erfasst wird, und wobei die Sensoreinheit die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit übermittelt, wobei die Steuereinheit anhand der übermittelten Daten Befehlssignale zur Steuerung wenigstens eines Antriebs des Roboterarms erzeugt, um eine Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum auszuführen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung drei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile oder Elemente mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Roboterarms mit einem daran angeordneten erfindungsgemäßen Roboterarmeinrichtung in Form eines Linearaktuators als Werkzeugführungseinheit,
2 eine erste schematische Perspektivdarstellung des Linearaktuators nach 1 gemäß einer ersten Ausführungsform,
3 eine zweite schematische Perspektivdarstellung des Linearaktuators nach 1 und 2 mit einem Teilausschnitt im Bereich eines Bedienkraftelements,
4 eine schematische Perspektivdarstellung des Linearaktuators gemäß einer zweiten Ausführungsform,
5 eine schematische Längsschnittdarstellung des Linearaktuators nach 4 zur Veranschaulichung des Aufbaus des Linearaktuators im Bereich des Bedienkraftelements,
6a eine erste schematische Längsschnittdarstellung des Linearaktuators gemäß einer dritten Ausführungsform zur Veranschaulichung des Aufbaus des Linearaktuators im Bereich des Bedienkraftelements, wobei der Linearaktuator in einem ersten Betriebszustand vorliegt, und
6b eine zweite schematische Längsschnittdarstellung des Linearaktuators gemäß 6a, wobei der Linearaktuator in einem zweiten Betriebszustand vorliegt.

Gemäß 1 ist ein erfindungsgemäßer Roboterarm 17 eines - hier nicht gezeigten - Roboters 20 dargestellt. Der Roboter 20 kann ein OP-Roboter oder ein Cobot sein. Der Roboterarm 17 umfasst eine Basis 21 sowie mehrere in Reihe hintereinander angeordnete Roboterarmsegmente 22, wobei je zwei in Reihe hintereinander angeordnete Roboterarmsegmente 22 über ein Gelenk 23 miteinander verbunden sind. Am Ende des Roboterarms 17 ist eine erfindungsgemäße Roboterarmeinrichtung in Form einer als Linearaktuator 1 ausgebildeten Werkzeugführungseinheit zur Werkzeugführung eines Werkzeugs 5 gelenkig an einem Roboterarmsegment 22 angeordnet.
Die Roboterarmeinrichtung bzw. der Linearaktuator 1 umfasst nach 1 bis 6b ein als Gehäuse ausgebildetes Strukturelement 6, an dem eine Werkzeugaufnahme 4 sowie ein Linearschlitten 2 angeordnet sind. Das Strukturelement 6 ist dazu ausgebildet, während des Betriebs des Roboters 20 bzw. des Roboterarms Arbeitskräfte aufzunehmen. Ein Werkzeugträger 3 des Linearaktuators 1 ist lösbar am Linearschlitten 2 angeordnet und dazu ausgebildet, das Werkzeug 5 aufzunehmen. Der Linearschlitten 2 ist, wie in 2 exemplarisch durch einen Pfeil 24 dargestellt ist, relativ zum Gehäuse bzw. zum Strukturelement 6 und zur Werkzeugaufnahme 4 längsverlagerbar angeordnet. Der Linearschlitten 2 ist in einer am Strukturelement 6 angeordneten Führungsschiene 25 linear geführt. Der Werkzeugträger 3 umfasst gemäß 1 eine Antriebseinheit 19, die dazu ausgebildet ist, das Werkzeug 5 zu betätigen. Das Werkzeug 5 kann beispielsweise einen Bohrer umfassen, wobei die Antriebseinheit 19 dazu ausgebildet ist, den Bohrer drehanzutreiben. Die Antriebseinheit 19 kann als elektrische Maschine ausgeführt sein.
Die Werkzeugaufnahme 4 führt das Werkzeug 5 bei Längsverlagerung des Linearschlittens 2 relativ zum Strukturelement 6 in axialer Richtung und leitet auf das Werkzeug 5 einwirkende Querkräfte in das Strukturelement 6 ab. Über die Werkzeugaufnahme 4 wird das Werkzeug 5 während der Längsverlagerung des Linearschlittens 2 also radial abgestützt.
Nach den 2 bis 6b ist im Bereich der am Strukturelement 6 befestigten Werkzeugaufnahme 4 eine Bedieneinrichtung 8 am Strukturelement 6 angeordnet, umfassend ein Betätigungselement 11 und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit 9. Die Sensoreinheit 9 ist dazu ausgebildet, eine in das Betätigungselement 11 eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung zu erfassen und die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit 26 des Roboterarms 17 zu übermitteln. Die Steuereinheit 26 erzeugt anhand dieser übermittelten bzw. zur Verfügung gestellten Daten Befehlssignale zur Steuerung von Antrieben 27 des Roboterarms 17. Die Antriebe 27 sind nach 1 nur beispielsweise und rein exemplarisch in den Gelenken 23 des Roboterarms 17 integriert als gestrichelte Kreise dargestellt. Denkbar ist auch, dass in der Basis 21 wenigstens ein Antrieb angeordnet ist, um den Roboterarm 17 um eine Hochachse verschwenken zu können. Selbstverständlich können so viele Antriebe 27 vorgesehen und am Roboterarm angeordnet sein, um möglichst viele Freiheitsgrade zur Positionierung der Roboterarmeinrichtung im Raum zu realisieren. Durch entsprechende Steuerung und Regelung der Antriebe 27 wird, da wo erforderlich, eine rotative Position der Roboterarmsegmente 22 eingestellt, sodass eine Lage der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum einstellbar ist. Anders gesagt wird auf Basis einer durch entsprechende Eingabe in das Betätigungselement 11 erzeugte Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung bzw. des Linearaktuators 1 eine der Soll-Bewegungsrichtung entsprechende Ist-Bewegungsabfolge der Roboterarmeinrichtung bzw. des Linearaktuators 1 ausgeführt.
Die Sensoreinheit 9 erfasst eine durch einen Nutzer auf das Betätigungselement 11 eingebrachte manuelle Betätigungskraft und übermittelt entsprechende Messdaten an die Steuereinheit 26. Diese Messdaten werden von der Steuereinheit 26 so verarbeitet, dass die Antriebe 27 des Roboterarms 17 ansteuerbar sind, um den Linearaktuator 1 in eine vom Nutzer gewünschte Position im Raum zu bewegen. Die Sensoreinheit 9 ist hier eine Kraft-Sensoreinheit, die auf das Betätigungselement 11 einwirkende Betätigungskräfte des Nutzers sensieren kann. Ein beispielhafter Aufbau der Sensoreinheit 9 ist in den Ausführungsbeispielen nach 4 bis 6b gezeigt.
Gemäß der ersten Ausführungsform nach 2 und 3 weist die Werkzeugaufnahme 4 einen brückenförmigen Träger 4a auf, der einteilig mit dem Strukturelement 6 verbunden ist und an dem ein Vorsprung mit einer ersten Aussparung 4b angeordnet ist, durch die das - hier stabförmig ausgebildete - Werkzeug 5 axial geführt und radial abgestützt ist. Räumlich innerhalb des Trägers 4a ist ein Hohlraum 7 ausgebildet, in dem die Bedieneinrichtung 8 angeordnet ist. Der Träger 4a umgibt das Betätigungselement 11, so dass einerseits die Abstützung der auf das Werkzeug 5 einwirkenden Querkräfte sowie andererseits die Bedienkräfte an zentraler Stelle in das Strukturelement 6 eingeleitet werden können. Der Träger 4a bzw. der Hohlraum 7 ist bzw. sind so ausgestaltet, dass das Betätigungselement 11 und die Werkzeugaufnahme 4 frei von Berührungspunkten oder -flächen sind.
In dieser ersten Ausführungsform ist das Betätigungselement 11 als sogenannte „Spacemouse“ ausgebildet. Vorliegend weist das Betätigungselement 11 wenigstens einen Schalter 10 auf. Der Schalter 10 kann dazu vorgesehen sein, durch Betätigung einen Schaltzustand des Roboters 20 bzw. des Roboterarms 17 einzustellen oder zu ändern. Hier ist der Schalter 10 am Betätigungselement 11 angeordnet. Gemäß den Ausführungsformen nach den 4 bis 6b sind zwei Schalter 10 am Betätigungselement 11 angeordnet, wie in 4 gezeigt ist. Durch das Vorsehen von Schaltern 10 am Betätigungselement 11 können weitere Funktionen an zentraler Stelle zusammengefasst bzw. integriert werden, sodass die Handhabbarkeit des Roboters 20 weiter verbessert und vereinfacht wird.
In 3 ist dargestellt, dass das Strukturelement 6 auf einer der Werkzeugaufnahme 4 entgegengesetzten Seite eine Montageöffnung 6a zur Montage der Bedieneinrichtung 8 aufweist. Dadurch wird ermöglicht, dass die Bedieneinrichtung 8 von unten, also von der der Werkzeugaufnahme 4 entgegengesetzten Seite, zugänglich und montierbar bzw. demontierbar ist. Die Montageöffnung 6a ist hier durch einen Deckel 18 verschlossen, der lösbar mit dem Strukturelement 6 verbindbar ist.
4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des Linearaktuators 1 und 6a und 6b zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel des Linearaktuators 1, wobei das dritte Ausführungsbeispiel eine Weiterbildung des zweiten Ausführungsbeispiels ist. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel nach 1 bis 3 erläutert. Im Übrigen ist der jeweilige beispielhafte Linearaktuator 1 gemäß den 4 und 5 bzw. 6a und 6b identisch zum Linearaktuator 1 nach 1 bis 3.
Die Sensoreinheit 9 ist nach 4 bis 6b als 3D-Joystick ausgeführt, umfassend einen Betätigungsstift 9a mit einem stiftförmigen axialen Abschnitt 9b und einem einteilig damit verbundenen kugelförmig ausgebildeten Gelenkkopf 9c, der in einer pfannenförmigen Gelenkaufnahme 9d gelenkig aufgenommen und vor translatorischen Bewegungen geschützt ist. Die Gelenkaufnahme 9d ist vorliegend mit dem Strukturelement 6 verschraubt und ist analog zu 3 durch die Montageöffnung 6a zugänglich.
Gemäß 4 und 5 umfasst die Werkzeugaufnahme 4 ein im Wesentlichen hülsenförmig bzw. rohrförmig ausgebildetes Basiselement 4c sowie einen damit einteilig verbundenen Aufnahmekörper 4d. Die Werkzeugaufnahme 4 ist hier einteilig mit dem Strukturelement 6 verbunden. Das Basiselement 4c ist zwischen dem Aufnahmekörper 4d und dem Strukturelement 6 ausgebildet. Am Aufnahmekörper 4d ist eine als Bohrung ausgeführte erste Aussparung 4a zur axialen Führung und radialen Abstützung des Werkzeugs 5 angeordnet.
Das Basiselement 4c nimmt den axialen Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a räumlich auf bzw. umgibt diesen, wobei der axiale Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a zu keiner Zeit am Basiselement 4c zur Anlage kommen.
Das hier gemäß 5 beispielhaft tassenförmig ausgeformte Betätigungselement 11 ist hier mehrteilig aus dünnwandigen Kunststoffsegmenten 11a, 11b ausgebildet. Nach der Montage des Linearaktuators 1 können die Segmente 11a, 11b miteinander lösbar verbunden werden. Die Segmente 11 a, 11b kommen zu keiner Zeit am Basiselement 4c zur Anlage. Vielmehr umfasst das Betätigungselement 11 einen Steg 11 c, der zwischen den Segmenten 11 a, 11b angeordnet ist. Der Steg 11 c ist durch Durchbrüche 13 am rohrförmigen Basiselement 4c hindurchgeführt, wobei Schrauben 14 dazu vorgesehen sind, den Steg 11c und damit das Betätigungselement 11 mechanisch mit dem Betätigungsstift 9a der Sensoreinheit 9 zu verbinden, ohne dass der axiale Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a berührt wird. Damit wird eine Integration der Bedieneinrichtung 8 im Bereich der Werkzeugaufnahme 4 realisiert, ohne dass sich die Funktionen gegenseitig behindern können. Die Durchbrüche 13 können durch elastische Elemente abgedichtet sein. Die elastischen Elemente sind derart ausgebildet, dass im Bereich der Durchbrüche 13 keine Kräfte zwischen dem Betätigungselement 11 und der Werkzeugaufnahme 4 übertragen werden.
Die 6a und 6b zeigen eine Weiterbildung des Linearaktuators 1 gemäß den 4 und 5. Anstatt das Basiselement 4b und den Aufnahmekörper 4d einteilig auszubilden, können diese zwei separate Bauteile sein, die insbesondere zur Schaltung von zwei unterschiedlichen Betriebszuständen lösbar miteinander verbindbar bzw. voneinander lösbar sind. Demnach ist der Aufnahmekörper 4d lösbar am Basiselement 4c angeordnet, wobei der Aufnahmekörper 4d neben der ersten Aussparung 4a eine komplementär zum axialen Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a ausgeformte zweite Aussparung 15 aufweist. Das Basiselement 4c ist hier weiterhin einteilig mit dem Strukturelement 6 verbunden, wobei ebenso wie im Beispiel nach den 4 und 5 denkbar ist, das Basiselement 4c der Werkzeugaufnahme 4 mit dem Strukturelement 6 zu verschrauben oder zu verschweißen.
6a zeigt einen ersten Betriebszustand, der einem manuellen Modus entsprechen kann, bei dem eine Einleitung und Ausführung der Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum infolge einer vom Nutzer auf das Betätigungselement 11 übertragenen Bewegungsvorgabe erfolgt. In dem ersten Betriebszustand ist der Aufnahmekörper 4d nicht am Basiselement 4c befestigt und der axiale Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a ist nicht in der zweiten Aussparung 15 des Aufnahmekörpers 4d aufgenommen. Stattdessen lässt sich das Betätigungselement 11 zusammen mit dem damit verschraubten Betätigungsstift 9a relativ zur Werkzeugaufnahme 4 bewegen, wobei die Sensoreinheit 9 die manuellen Bewegungskräfte sensiert und damit eine entsprechende Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum initiiert.
6b zeigt einen zweiten Betriebszustand, der beispielsweise einem Automatikmodus entsprechen kann, bei dem eine Einleitung und Ausführung der Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum durch die Steuereinheit 26, also rein computergestützt, erfolgt. In diesem Betriebszustand wurde der Aufnahmekörper 4d durch den Nutzer auf das Basiselement 4c aufgesteckt, so dass Rastelemente 25 des Aufnahmekörpers 4d Formelemente 26 des rohrförmigen Basiselement 4c hintergreifen und so einen Formschluss zwischen Basiselement 4c und Aufnahmekörper 4d erzeugen. Gleichzeitig ist der axiale Abschnitt 9b des Betätigungsstifts 9a in der zweiten Aussparung 15 des Aufnahmekörpers 4d axial aufgenommen und radial gesichert. Damit wird der Betätigungsstift 9a am Werkzeughalter 4 festgesetzt, sodass das mit dem Betätigungsstift 9a mechanisch verbundene Betätigungselement 11 an einer Bewegung relativ zum Werkzeughalter 4 gehindert ist. Entsprechend kann die Sensoreinheit 9 keine manuellen Bewegungskräfte sensieren und damit eine Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum nicht initiieren. Im zweiten Betriebsmodus kann also neben einer gegebenenfalls elektronischen Blockierung des Betätigungselements 11 auch eine mechanische Blockierung derselben erfolgen. Eine insbesondere ungewollte Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum kann damit verhindert werden. Alternativ kann damit ein Automatikmodus realisiert werden, wobei im blockierten Zustand des Betätigungselements 11 nur eine automatisierte Positionierung des Linearaktuators 1 im Raum erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

1: Linearaktuator
2: Linearschlitten
3: Werkzeugträger
4: Werkzeugaufnahme
4a: Träger
4b: Erste Aussparung
4c: Basiselement
4d: Aufnahmekörper
5: Werkzeug
6: Strukturelement
6a: Montageöffnung
7: Hohlraum
8: Bedieneinrichtung
9: Sensoreinheit
9a: Betätigungsstift
9b: Axialer Abschnitt des Betätigungsstifts
9c: Kugelförmiger Gelenkkopf des Betätigungsstifts
9d: Gelenkaufnahme
10: Schalter
11: Betätigungselement
11a: Erstes Segment des Betätigungselements
11b: Zweites Segment des Betätigungselements
11c: Steg des Betätigungselements
12: Führungsschiene
13: Durchbruch
14: Schraube
15: Zweite Aussparung
16: Formelement des Basiselements
17: Roboterarm
18: Deckel
19: Antriebseinheit
20: Roboter
21: Basis
22: Roboterarmsegment
23: Gelenk
24: Pfeil
25: Rastelement des Aufnahmekörpers
26: Steuereinheit
27: Antrieb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2332480 A2 [0002]

Claims

Roboterarmeinrichtung für einen Roboter (20), umfassend ein Strukturelement (6), das dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Roboters (20) Arbeitskräfte aufzunehmen, wobei an diesem Strukturelement (6) eine Bedieneinrichtung (8), umfassend ein Betätigungselement (11) und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit (9), angeordnet ist, wobei die Sensoreinheit (9) dazu ausgebildet ist, eine in das Betätigungselement (11) eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung zu erfassen und die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit (26) zu übermitteln, die anhand der übermittelten Daten Befehlssignale zur Steuerung wenigstens eines Antriebs (27) des Roboterarms (17) erzeugt, um eine Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum auszuführen.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Roboterarmeinrichtung eine Werkzeugführungseinheit ist, wobei die Werkzeugführungseinheit ein Linearaktuator (1) und/oder ein rotativer Aktuator ist.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Strukturelement (6) der als Linearaktuator (1) ausgebildeten Roboterarmeinrichtung eine Werkzeugaufnahme (4) sowie ein Linearschlitten (2) mit einem Werkzeugträger (3) angeordnet sind, wobei der Linearschlitten (2) relativ zum Strukturelement (6) und zur Werkzeugaufnahme (4) längsverlagerbar angeordnet ist, wobei der Werkzeugträger (3) dazu ausgebildet ist, ein Werkzeug (5) aufzunehmen, und wobei die Werkzeugaufnahme (4) dazu ausgebildet ist, das Werkzeug (5) bei Längsverlagerung des Linearschlittens (2) axial zu führen, wobei die Bedieneinrichtung (8) im Bereich der Werkzeugaufnahme (4) am Strukturelement (6) angeordnet ist.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahme (4) einen brückenförmigen Träger (4a) umfasst, wobei der Träger (4a) eine erste Aussparung (4b) zur axialen Führung des Werkzeugs (5) umfasst, und wobei die Bedieneinrichtung (8) wenigstens teilweise räumlich innerhalb des Trägers (4a) angeordnet ist.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahme (4) ein am Strukturelement (6) befestigtes Basiselement (4c) sowie einen Aufnahmekörper (4d) umfasst, wobei der Aufnahmekörper (4d) eine erste Aussparung (4a) umfasst, die dazu ausgebildet ist, das Werkzeug (5) in dessen axialer Richtung zu führen, und wobei das Basiselement (4c) am Strukturelement (6) befestigt ist.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4c) zur Aufnahme eines Betätigungsstifts (9a) der Sensoreinheit (9) wenigstens abschnittsweise hülsenförmig ausgebildet ist, wobei das Betätigungselement (11) das Basiselement (4c) wenigstens teilweise umgibt und frei von Kontaktflächen mit dem Basiselement (4c) ist, wobei am Basiselement (4c) Durchbrüche (13) ausgebildet sind, durch die ein Steg (11 c) des Betätigungselements (11) hindurchgeführt und am Betätigungsstift (9a) der Sensoreinheit (9) befestigt ist.
Roboterarmeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper (4d) lösbar am Basiselement (4c) angeordnet ist, wobei der Aufnahmekörper (4d) eine komplementär zu einem axialen Abschnitt (9b) des Betätigungsstifts (9a) ausgeformte zweite Aussparung (15) aufweist, wobei, wenn der Aufnahmekörper (4d) am Basiselement (4c) befestigt ist, der axiale Abschnitt (9b) des Betätigungsstifts (9a) in der zweiten Aussparung (15) axial aufgenommen und radial abgestützt ist.
Roboterarmeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (6) auf einer der Werkzeugaufnahme (4) entgegengesetzten Seite eine Montageöffnung (6a) zur Montage der Bedieneinrichtung (8) aufweist.
Roboterarm (17) für einen Roboter (20), umfassend eine Roboterarmeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Roboterarmeinrichtung für einen Roboter (20), die Roboterarmeinrichtung umfassend ein Strukturelement (6), das dazu ausgebildet ist, während des Betriebs des Roboters (20) Arbeitskräfte aufzunehmen, wobei an diesem Strukturelement (6) eine Bedieneinrichtung (8), umfassend ein Betätigungselement (11) und eine damit wirkverbundene Sensoreinheit (9), angeordnet ist, wobei mittels der Sensoreinheit (9) eine in das Betätigungselement (11) eingebrachte Sollwertvorgabe für eine Soll-Bewegungsrichtung der Roboterarmeinrichtung erfasst wird, und wobei die Sensoreinheit (9) die Sollwertvorgabe betreffende Daten an eine Steuereinheit (26) übermittelt, wobei die Steuereinheit (26) anhand der übermittelten Daten Befehlssignale zur Steuerung wenigstens eines Antriebs (27) des Roboterarms (17) erzeugt, um eine Lageveränderung der Roboterarmeinrichtung im dreidimensionalen Raum auszuführen.