DE10219740A1 - Device for moving apparatus in any direction over inclined surface has support frame and robot with two independently movable systems supported by vacuum and with one have free rotational axis - Google Patents
Device for moving apparatus in any direction over inclined surface has support frame and robot with two independently movable systems supported by vacuum and with one have free rotational axisInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Bewegen eines Roboters über Flächen beliebiger Neigung in beliebige Richtungen, wobei der Abstand des Roboters zur Oberfläche konstant bleibt. Die Vorrichtung ist des weiteren in der Lage kleinere Hindernisse selbständig zu überwinden. The invention relates to a device for continuously moving a robot over surfaces Any inclination in any direction, the distance between the robot and the surface is constant remains. The device is also able to overcome minor obstacles independently.
Derzeit ergibt sich durch aktuelle Entwicklungen immer mehr Bedarf große Flächen automatisiert zu erreichen um bestimmte Arbeiten zu verrichten. Beispielsweise seien hier verschiedenste Reinigungsaufgaben, Farbauftrag, Oberflächenprüfung und Wartungsaufgaben genannt. Der Anwendungsbereich ist durch die Eigenschaften der Konstruktion extrem breit, von der automatisierten Entfernung von Graffitis über den gezielten Auftrag von Farbe auf Oberflächen (Fassadenbeschriftung) zum Einsatz in gefährlichen Umgebungen, beispielsweise zum Verrichten von Aufgaben in Reaktoren und chemischen Anlagen. Alle zu diesem Zwecke mitgeführten Werkzeuge erfordern in der Regel konstante Umgebungsbedingungen wie z. B. Abstand zum Zielobjekt, konstante relative Geschwindigkeit und Kompensation von Abweichungen. Currently, large areas are becoming more and more automated due to current developments to achieve certain tasks. For example, here are the most varied Cleaning tasks, paint application, surface inspection and maintenance tasks called. The Area of application is extremely wide due to the properties of the construction automated removal of graffiti via the targeted application of paint to surfaces (Facade labeling) for use in dangerous environments, for example for performing Tasks in reactors and chemical plants. All tools carried for this purpose usually require constant environmental conditions such. B. Distance to target, constant relative speed and compensation of deviations.
Um eine Vollautomatisierung zu erreichen, ist es neben einer entsprechenden Steuerung erforderlich, jeden Punkt ohne manuelle Eingriffe zu erreichen. In order to achieve full automation, it is next to a corresponding control required to reach every point without manual intervention.
Die meisten der bekannten Roboter zur Bewegung auf geneigten Flächen nutzen einerseits mit Saugnäpfen bestückte Raupenketten oder einen Linearantrieb. Most of the well-known robots for moving on inclined surfaces use on the one hand Suction cups equipped track chains or a linear drive.
Der Nachteil von Raupenketten (EP 0 505 956) besteht darin, dass sie zwar eine kontinuierliche Bewegung mit einem konstanten Abstand zwischen Roboter und Oberfläche ermöglichen, eine Richtungsänderung jedoch nur unter großen Schwierigkeiten möglich ist: Ein gegenläufiges Antreiben der Raupenketten führt zu einem teilweisen Ablösen der Saugnäpfe und einer extremen Belastung des Untergrunds. Eine Hilfskonstruktion ist nötig, welche neben hohen Kosten auch konstruktive Einschränkungen mit sich bringt. Raupenkonstruktionen können außerdem keinerlei Unebenheiten oder hervorstehende Hindernisse (z. B. Leisten) überwältigen, da diese zu einer sofortigen Ablösung führen. The disadvantage of caterpillar tracks (EP 0 505 956) is that they are continuous Movement with a constant distance between the robot and the surface enables one However, changing direction is only possible with great difficulty: reverse driving the caterpillar tracks lead to a partial detachment of the suction cups and an extreme load of the underground. An auxiliary construction is necessary, which besides high costs also constructive Brings limitations. In addition, caterpillar constructions cannot create any unevenness or overwhelm protruding obstacles (e.g. ledges), as these result in an immediate detachment to lead.
Konstruktionen mit Linearführungen und Drehgestell (DE 199 07 437) vermeiden diese Nachteile, jedoch ist durch die beschriebene Konstruktion keine kontinuierliche Bewegung mehr möglich, welche bei vielen Arbeiten, die diese Roboter verrichten sollen zwingend notwendig ist. Auch die Abstandsänderung des Robotergehäuses beim Abheben einer Saugnapfreihe bringt neben Nachteilen für die Werkzeugführung und Werkzeugverwendbarkeit konstruktive Probleme mit sich. Das im Patentanspuch aufgeführte vertikal gefederte Wischblatt beispielsweise führt durch den erforderlichen langen Ausgleichsweg bei einer normalen Vorwärtsbewegung dazu, dass beim Auftreten einer Spalte das Wischerblatt in diese vollständig einrastet und eine Weiterbewegung der Vorrichtung verhindert und diese im schlimmsten Fall bei einer Ablösung der Saugnäpfe zum Absturz bringt. Constructions with linear guides and bogie (DE 199 07 437) avoid these disadvantages, however, due to the construction described, continuous movement is no longer possible, which For many jobs that these robots are supposed to do, it is imperative. Also the Changing the distance of the robot housing when lifting a row of suction cups brings with it disadvantages constructive problems for tool guidance and tool usability. That in The vertically sprung wiper blade, for example, leads through the required process long compensation path with a normal forward movement that when a column occurs the wiper blade fully engages in this and prevents further movement of the device and in the worst case, this causes the suction cups to fall off.
Ziel ist es, eine Vorrichtung zu konstruieren, welche sich gleichmäßig fortbewegt, die Richtung während der Bewegung ändern kann und dabei einen konstanten Abstand zur Oberfläche einhält. The goal is to construct a device that moves smoothly, the direction can change during movement while maintaining a constant distance from the surface.
Andere Lösungen wie z. B. DE 43 40 741 weisen Probleme bezüglich der Drehbarkeit auf. Durch Längendifferenzen bei der Drehung treten zwischen den fixierten Punkten Spannungen auf. Die erforderlichen ebenso abstehenden wie bewegten Elemente erschweren - wie auch in der Patentschrift unter Fig. 11 dargestellt - die Verwendung von Werkzeugen erheblich. Die Stabilität der Konstruktion bezüglich genauer Positionierung ist durch die große Anzahl beweglicher Elemente nur schwer herzustellen. Eine Verwendung für höhere Lasten ist nur mit großem Aufwand möglich. Eine aufwendige Steuerung und eine Vielzahl von Antriebselementen sind erforderlich Other solutions such as B. DE 43 40 741 have problems with the rotatability. Due to differences in length during rotation, tensions occur between the fixed points. The required protruding and moving elements make it considerably more difficult to use tools, as is also shown in the patent specification under FIG. 11. The stability of the construction with regard to precise positioning is difficult to achieve due to the large number of moving elements. Use for higher loads is only possible with great effort. A complex control and a large number of drive elements are required
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. The object is solved by the features of the main claim.
Der Roboter kann sich durch eine entsprechende Steuerung völlig autark bewegen. Es sind keinerlei bauliche Veränderungen an der Umwelt (z. B. Gebäude, Tankanlage) notwendig. Durch eine flache Ausführung (wie in den Abbildungen beispielsweise gezeigt) ist der Roboter in der Lage auch auf beengtem Raum zu agieren. Dies ist unter anderem bei hängend befestigten Glasdächern der Fall. The robot can move completely independently with the appropriate control. There are no structural changes to the environment (e.g. building, tank system) necessary. By a Flat design (as shown in the pictures for example), the robot is also capable to act in a confined space. Among other things, this is the case with hanging glass roofs Case.
Die Konstruktion kann auf Grund ihres einfachen Aufbaus sehr leicht gestaltet werden. Die auf die Oberfläche wirkende Last ist zusätzlich durch die stets gleichmäßige Verteilung auf mehrere Vakuumsauger verringert. The construction can be designed very easily due to its simple structure. The on the Surface acting load is additionally due to the always even distribution over several Vacuum cup reduced.
Durch die leicht zu erreichende synchrone Geschwindigkeit beider Bewegungssysteme beim Lastwechsel sind Verspannungen ausgeschlossen. Due to the easy to achieve synchronous speed of both movement systems in the Tension changes are excluded.
Die Vorrichtung ist in der Lage kleinere Hindernisse wie z. B. Befestigungsleisten zu überwinden. Die zulässige Höhe des Hindernisses hängt dabei von dem möglichen Hub der Absenkvorrichtung, die zulässige Länge von der Wahl des Verfahrweges der Bewegungssysteme und deren Eigenlänge ab. The device is capable of small obstacles such. B. overcome mounting strips. The permissible height of the obstacle depends on the possible stroke of the lowering device permissible length depends on the choice of the travel path of the motion systems and their own length.
Je nach Dimensionierung der Vakuumsauger kann die Vorrichtung Gegenstände wie z. B. Werkzeuge in einem weiten Gewichtsbereich transportieren. Anwendungsgebiete ergeben sich damit beispielsweise bei der Reinigung großer Solaranlagen, in der Gebäude- und Anlagenreinigungstechnik, aber auch im Bereich des gezielten Farbauftrags und der Oberflächenbearbeitung. Die im Anschluss beschriebenen Kugelgelenke beispielsweise erlauben auch eine Fortbewegung auf leicht gekrümmten Oberflächen, was Anwendungen in der Tankreinigung ermöglicht. Durch eine variable Verwendung von Ansaug- und Antriebsmedium kann auch eine Anwendung unter Wasser kostengünstig realisiert werden. Die Konstruktion erlaubt durch z. B. vollvergossene Ausführung einen Einsatz in beliebigen Tiefen oder Höhen. Depending on the dimensions of the vacuum cups, the device can items such. B. Transport tools in a wide range of weights. Areas of application arise for example when cleaning large solar systems, in buildings and Plant cleaning technology, but also in the area of targeted paint application and Surface treatment. Allow the ball joints described below, for example also locomotion on slightly curved surfaces, which has applications in tank cleaning allows. A variable use of intake and drive medium can also Application under water can be realized inexpensively. The construction allowed by z. B. fully encapsulated version for use at any depth or height.
Eine vollständige Steuerung über Hydraulik oder Pneumatik ist ebenso leicht möglich, ein Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen in dieser Ausführung daher umsetzbar. Complete control via hydraulics or pneumatics is just as easy to use Therefore, this version can be implemented in potentially explosive areas.
Wie in dem Ausführungsbeispiel ersichtlich ist für die erfindungsgemäße Konstruktion kein relevanter Mehraufwand im Vergleich zu herkömmlichen Robotern erforderlich. Die einfache Verwendung standardisierter Bauteile führt neben erheblichen Kosteneinsparungen bei der Konstruktion zu niedrigen Wartungskosten. Die Bedienbarkeit durch eine Einzelperson (durch das geringe Gewicht und die kompakten Abmaße) ist ein weiterer wichtiger Faktor zum wirtschaftlichen Einsatz des Apparates, vor allem im Hinblick darauf, dass nach dem Anbringen auf der Oberfläche keine weitere Kontrolle notwendig ist. As can be seen in the exemplary embodiment, there is none for the construction according to the invention relevant additional effort compared to conventional robots required. The simple one The use of standardized components leads to considerable cost savings in the Construction at low maintenance costs. Operability by an individual (by the light weight and compact dimensions) is another important factor for economic Use of the device, especially with a view to being applied to the surface no further control is necessary.
Werkzeuge sind leicht an den Enden montierbar, da sich dort (durch Anbringung eines kleinen Abstandshalters auf einer Seite) keinerlei bewegte Teile befinden. Ein schneller und sicherer Wechsel ohne aufwendige Justagen ist somit durch Verwendung standardisierter Aufnahmen problemlos möglich. Dies führt zu einem kostenoptimierten Einsatz der Konstruktion in verschiedensten Bereichen. Durch die im folgenden beschriebene Anordnung ist auch eine Mitführung von Werkzeugen mit variablen Gewichten möglich, da sich dies in keiner Weise auf Stabilität oder Bewegungsart auswirkt. Tools are easy to assemble at the ends, because there (by attaching a small Spacer on one side) there are no moving parts. A quick and safe change Without complex adjustments, it is therefore easy to use standardized recordings possible. This leads to a cost-optimized use of the construction in various ways Areas. Due to the arrangement described below, it is also possible to carry Tools with variable weights possible as this is in no way related to stability or Movement type affects.
Der erfindungsgemäße Roboter weist zwei unabhängig voneinander angetriebene, linear geführte Systeme auf, von denen eines zusätzlich mit einer Drehachse ausgestattet ist. An diesen Systemen befinden sich Vakuumsauger, welche je nach den Erfordernissen des Untergrundes gewählt werden können. Diese werden von einer Absenkvorrichtung auf der Oberfläche positioniert. Der Roboter kontrolliert seine Position durch verschiedene Sensoren, beispielsweise durch eine Erkennung gebäudespezifischer Merkmale wie Kanten an Glasplatten. Bei einer festgestellten Abweichung kann diese Information zur Korrektur der Bahn genutzt werden. The robot according to the invention has two linearly guided, independently driven ones Systems, one of which is also equipped with an axis of rotation. On these systems There are vacuum suction cups, which are selected depending on the requirements of the surface can. These are positioned on the surface by a lowering device. The robot controls its position by various sensors, for example by detection building-specific features such as edges on glass plates. If a discrepancy is found, this information can be used to correct the path.
In den Fig. 1-7 ist eine mögliche Ausführung des Roboters mit Vakuumsaugern dargestellt. In FIGS. 1-7 a possible embodiment of the robot is shown with vacuum suction.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 isometrische Darstellung-Überblick Fig. 1 isometric representation overview
Fig. 2 isometrische Ansicht-Detail Fig. 2 isometric view detail
Fig. 3 Vorderansicht Fig. 3 front view
Fig. 4 Draufsicht Fig. 4 top view
Fig. 5 Seitenansicht Fig. 5 side view
Fig. 6 Darstellung Linearantriebe Fig. 6 representation of linear drives
Wie in Fig. 1 dargestellt entspricht Ziffer I dem Bewegungssystem mit zusätzlicher Drehachse. Die Ziffern II und III bezeichnen zwei synchron linear verfahrbare Einheiten, das zweite Bewegungssystem. Die Bewegungssysteme sind mittels Linearführungen (18, 19) auf dem Tragrahmen (IV) montiert. Alle zur Bewegung erforderlichen Teile wie z. B. Steuerung, Antriebe und Sensorik sind - soweit möglich und in der jeweiligen Funktion sinnvoll - auf dem Tragrahmen (IV) montiert, was hier aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde. As shown in Fig. 1, number I corresponds to the movement system with an additional axis of rotation. Numbers II and III designate two synchronously linearly movable units, the second movement system. The movement systems are mounted on the support frame (IV) by means of linear guides ( 18 , 19 ). All parts required for movement such. B. Control, drives and sensors are - as far as possible and useful in the respective function - mounted on the support frame (IV), which has been omitted here for reasons of clarity.
Die Fortbewegung stellt sich folgendermaßen dar: Ein Bewegungssystem (z. B. II u. III) ist nach Ausfahren der Zylinder (5) und Aufbau des Vakuums an den Vakuumsaugern (6) starr mit dem Untergrund verbunden. Durch den Antrieb (3) bewegt sich der Tragrahmen (IV) gleichförmig über die Oberfläche. Kurz vor Erreichen des maximalen Verfahrweges wird durch Antrieb 1 das andere Bewegungssystem (I) auf gleiche Geschwindigkeit gebracht, jedoch am anderen Ende des Verfahrweges. Durch die Zylinder (4) werden die Vakuumsauger (7) an die Oberfläche angepresst. Das sich nachfolgend aufbauende Vakuum fixiert die Bewegungseinheit auf dem Untergrund. Sobald durch die Sensorik eine sichere Verbindung zur Oberfläche festgestellt wird lösen sich die Sauger (6) des anderen Systems und werden durch Zylinder (5) von der Oberfläche abgehoben. Die äußere Bewegungseinheit (II und III) fährt in Ausgangsstellung an das andere Ende des Verfahrweges um den Beginn eines neuen Zyklus abzuwarten. The locomotion is represented as follows: After the cylinders ( 5 ) have been extended and the vacuum at the suction cups ( 6 ) has been extended, a movement system (e.g. II and III) is rigidly connected to the ground. The drive frame ( 3 ) moves the support frame (IV) uniformly over the surface. Shortly before the maximum travel path is reached, drive 1 brings the other movement system (I) to the same speed, but at the other end of the travel path. The suction cups ( 7 ) are pressed against the surface by the cylinders ( 4 ). The vacuum that subsequently builds up fixes the movement unit on the surface. As soon as a secure connection to the surface is determined by the sensors, the suction devices ( 6 ) of the other system are released and are lifted off the surface by cylinders ( 5 ). In the starting position, the outer movement unit (II and III) moves to the other end of the travel path to wait for the start of a new cycle.
Während all dieser Abläufe wurde die kontinuierliche Fortbewegung nicht unterbrochen, der Abstand der Oberfläche blieb konstant. The continuous movement was not interrupted during all these processes Surface distance remained constant.
Wird durch eine entsprechende Sensorik eine Abweichung von dem vorgegebenen Weg festgestellt kann, sobald das Bewegungssystem mit Drehachse (I) alleinigen Kontakt zur Oberfläche hat, eine Winkelkorrektur durch einen entsprechenden Antrieb (2) erfolgen. If a deviation from the specified path can be determined by a corresponding sensor system, as soon as the movement system with the axis of rotation (I) has sole contact with the surface, an angle correction is carried out by a corresponding drive ( 2 ).
Sobald eine Richtungsänderung des Apparates notwendig ist, positioniert der Roboter das drehbare Bewegungssystem (I) am gewünschten Drehpunkt, der Verbindungsaufbau mit dem Untergrund beginnt, sofern dieser noch nicht vorhanden war. Nachdem der alleinige Kontakt des Systems mit der Oberfläche analog der obigen Beschreibung hergestellt wurde, erfolgt die Drehung durch Antrieb 2 ebenso wie zur Korrektur einer Winkelabweichung. As soon as a change of direction of the device is necessary, the robot positions the rotatable movement system (I) at the desired pivot point, the connection with the underground begins, if this was not yet available. After the sole contact of the system with the surface has been established analogously to the description above, the rotation is carried out by drive 2 as well as to correct an angular deviation.
Der Vorgang des Verbindungsaufbaus zwischen Oberfläche und Vakuumsaugern (6, 7) wird besonders genau überwacht. Positionssensoren an den Zylindern überprüfen, ob diese während des Absenkens (mit minimierter Kraft) die Endposition erreichen. Dies könnte zum Beispiel durch Hindernisse, wie z. B. von der Oberfläche abstehende Leisten, verhindert werden. Unterdrucksensoren überprüfen im Anschluss, ob ein stabiles und ausreichendes Vakuum aufgebaut wurde. Dies wäre z. B. bei einer Positionierung eines Saugers auf einem, von der Sensorik nicht erfassbarem Loch, relevant. The process of establishing a connection between the surface and vacuum cups ( 6 , 7 ) is monitored particularly closely. Position sensors on the cylinders check whether they reach the end position during lowering (with minimal force). This could, for example, by obstacles such. B. protruding ledges from the surface can be prevented. Vacuum sensors then check whether a stable and sufficient vacuum has been built up. This would be e.g. B. relevant when positioning a suction cup on a hole that cannot be detected by the sensor system.
Sofern alle Vorgänge ordnungsgemäß abgeschlossen sind wird der Zylinder mit voller Kraft angepresst - er wird in Kürze die volle Last der Vorrichtung tragen müssen. Falls der Verbindungsaufbau nicht erfolgreich verläuft werden die Sauger zurückgezogen, neu positioniert und erneut abgesetzt. If all operations are properly completed, the cylinder will operate at full power pressed on - he will soon have to bear the full load of the device. If the The connection is not successfully established, the suction cups are withdrawn, repositioned and dropped again.
Alle Sauger sind über ein Kugelgelenk (17) mit den Zylindern (4, 5) verbunden um Krümmungen und Unebenheiten der Oberfläche zu kompensieren - der Roboter kann sich damit z. B. auch auf Außen- oder Innenwand von zylindrischen oder kugelförmigen Objekten bewegen. All suction cups are connected to the cylinders ( 4 , 5 ) via a ball joint ( 17 ) in order to compensate for curvatures and unevenness of the surface. B. also move on the outer or inner wall of cylindrical or spherical objects.
Die Übertragung der Antriebsenergie erfolgt durch geeignete Maschinenelemente. Im Ausführungsbeispiel sind dies z. B. für das äußere Bewegungssystem (II und III) zwei Zahnriemen (8), die über Zahnscheiben (9) von der Welle (10) getrieben werden. Diese ist über Zahnscheiben (11, 12) und Zahnriemen (13) mit der Antriebseinheit (3) verbunden. Das andere Bewegungssystem (I) kann durch die Anordnung direkt von Antrieb 1 mit Hilfe einer Zahnscheibe (14) und Zahnriemen (15) bewegt werden. Diese Zahnriemen werden dabei stets an ihrem anderen Ende von einer weiteren Zahnscheibe (16) geführt. Die Drehbewegung wird ebenfalls durch einen Zahnriemen (21) vom Antrieb 2 über die Zahnscheibe (20) auf den verzahnten Drehkranz (22) übertragen. The drive energy is transmitted by suitable machine elements. In the exemplary embodiment, these are e.g. B. for the external movement system (II and III) two toothed belts ( 8 ) which are driven by toothed discs ( 9 ) from the shaft ( 10 ). This is connected to the drive unit ( 3 ) via toothed pulleys ( 11 , 12 ) and toothed belts ( 13 ). The other movement system (I) can be moved by the arrangement directly from drive 1 with the help of a toothed pulley ( 14 ) and toothed belt ( 15 ). These toothed belts are always guided at their other end by a further toothed pulley ( 16 ). The rotary movement is also transmitted by a toothed belt ( 21 ) from the drive 2 via the toothed disc ( 20 ) to the toothed rotating ring ( 22 ).
Die Energiezufuhr erfolgt beispielsweise durch eine - in den Abbildungen nicht dargestellte - kabelartige Zuführung. Entsprechende Sensoren messen die anliegende. Nach Auswertung durch die Steuerung kann z. B. bei einem Festsitzen der Zuführung eine entsprechende Gegenmaßnahme ergriffen werden. Dies wären z. B. eine wiederholte ruckartige Bewegung innerhalb der zulässigen Spannung bzw. im Falle eines kompletten Festsitzens der Zuführung ein Rückkehr in die Ausgangsposition (aus deren Richtung in der Regel auch die Zuführung kommt). The energy is supplied, for example, by a - not shown in the figures - cable-like feed. Appropriate sensors measure the contact. After evaluation by the Control can e.g. B. if the feeder is stuck, a corresponding countermeasure be taken. These would be e.g. B. a repeated jerky movement within the allowable Voltage or, in the case of a completely stuck feed, a return to the Starting position (from which direction the feeder usually comes).
Es ist jedoch auch ohne weiteres denkbar und von der konstruktiven Auslegung leicht möglich, die Vorrichtung mit einer autarken Energieversorgung (z. B. Brennstoffzelle, Akkumulator) auszustatten um diese unabhängig agieren zu lassen. However, it is also easily conceivable and easily possible from the constructive design that To equip the device with a self-sufficient energy supply (e.g. fuel cell, accumulator) to make them act independently.
Claims (4)
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