DE202013104860U1

DE202013104860U1 - Arbeitsvorrichtung

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Publication number: DE202013104860U1
Application number: DE202013104860.7U
Authority: DE
Original assignee: Daimler AG; KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: EP3062971A1; WO2015074841A1

Abstract

Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter (2), der ein Prozesswerkzeug (3) trägt, und mit einer Steuerung (6), wobei die Arbeitsvorrichtung (1) für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) ausgebildet ist und eine mit der Steuerung verbundene Erfassungseinrichtung (5) mit einer Sensoreinrichtung (16) für die Detektion einer aufgetretenen Kollision des Industrieroboters (2) oder des Prozesswerkzeugs (3) mit einem Hindernis (7), insbesondere mit einem Werker, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) zusätzlich einen Abstand (d) zwischen dem Industrieroboter (2) und/oder dem Prozesswerkzeug (3) und dem Hindernis (7) erfasst und die Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere die Steuerung (6), dazu ausgebildet ist, bei einer aus dem Abstand ermittelten Kollisionsgefahr den Industrieroboter (2) eine Ausweichbewegung (a) gegenüber dem Hindernis (7) ausführen zu lassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Arbeitsvorrichtungen mit einem oder mehreren Robotern und Werkzeugen sind aus der Praxis in verschiedenen Ausprägungen bekannt. In der Regel sind sie als vollautomatische Stationen ausgebildet und zur Unfallsicherheit von Werkern mit Schutzabtrennungen ausgerüstet, die mechanisch den Werkerzutritt verhindern oder den Industrieroboter abschalten.
Aus der DE 102 26 140 A1 , DE 10 2005 003 827 A1 , DE 10 2008 063 081 A1 , DE 10 2010 007 025 A1 , DE 10 2010 048 369 A1 und WO 2009/155947 A1 ist es bekannt, im Kollisions- oder Gefahrenfall einen Roboter abzubremsen, zu stoppen, einen Nothalt auszulösen oder rückwärts zu fahren.
Ferner gibt es Bestrebungen, Menschen mit Industrierobotern bei der Durchführung von Arbeits-Prozessen kooperieren oder kollaborieren zu lassen. Dies wird als Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) bezeichnet. Die Normung, insbesondere die ISO/IS 15066 und die EN ISO 10218-1,2 beinhalten Vorgaben für die MRK hinsichtlich Schutzmaßnahmen, sensorische Ausfallsicherheit und dgl.. Bei der MRK wird mit einer Erfassungseinrichtung eine erfolgte Kollision des Roboters bzw. seines Werkzeugs mit einem Hindernis, insbesondere mit einem Werker, detektiert und zur Sicherheit eine Schutzmaßnahme, insbesondere ein Stillstand oder eine Rückwärtsbewegung des Roboters, eingeleitet. Die Kollisionserfassung kann berührend und ggf. mit einer Messung von auftretenden Kollisionskräften erfolgen. Hierfür geeignete taktile Gelenkarm-Industrieroboter sind z. B. aus der DE 10 2007 063 099 A1 , DE 10 2007 014 023 A1 und DE 10 2007 028 758 B4 bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Arbeitstechnik aufzuzeigen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
Die beanspruchte Arbeitstechnik, d. h. die Arbeitsvorrichtung und das zugehörige Betriebsverfahren, haben den Vorteil, dass eine höhere Leistung und Verfügbarkeit der Arbeitsvorrichtung ohne Einschränkung der MRK-Tauglichkeit erreicht werden kann. Durch eine Abstandsmessung kann eine drohende Kollisionsgefahr im Vorfeld detektiert werden, wobei der Industrieroboter eine Ausweichbewegung durchführt.
Hierdurch kann einerseits eine Kollision und eine MRK-Schutzmaßnahme, insbesondere ein Stillstand oder eine Rückwärtsbewegung des Industrieroboters, vermieden werden. Der Arbeitsprozess und die Prozessbewegung des Industrieroboters kann dank der Ausweichbewegung zu Ende geführt werden. Die mit einer MRK-Schutzmaßnahme eintretenden Taktzeitprobleme können vermieden werden. Bei einer MRK-Schutzmaßnahme kann nicht vorhergesagt werden, ob und wie lange der Industrieroboter in seiner Prozessbewegung unterbrochen wird.
Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Ausweichtechnik, insbesondere des Betriebsverfahrens der Arbeitsvorrichtung, ist eine vorgeschaltete Ausweichstrategie, die aktiv wird, bevor eine Kollision auftritt und erkannt wird.
Der Industrieroboter kann eine Ausweichbewegung an dem Hindernis vorbei ausführen und dieses umgehen. Bei einer Ausweichbewegung kann die Abstandsmessung fortgesetzt werden, wobei der Erfolg der Ausweichbewegung überprüft und die Ausweichbewegung bedarfsweise korrigiert werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Hindernis sich bewegt. Für eine dynamische Ausweichstrategie ist es von Vorteil, mit der Erfassungseinrichtung nicht nur die Existenz eines Hindernisses, insbesondere eines Werkers, sondern auch die Lage und/oder die Größe und/oder eine evtl. Bewegung des Hindernisses zu detektieren. Bei einem bewegten Hindernis können Richtung und Geschwindigkeit erfasst werden und für eine Planung sowie eine evtl. Korrektur der Ausweichbewegung herangezogen werden.
Die Arbeitsvorrichtung und insbesondere deren Steuerung sind für die vorgenannten und beanspruchten Funktionen vorgesehen und in geeigneter Weise ausgebildet. Vorzugsweise ist die Steuerung für die Auswertung der gemessenen bzw. ermittelten Abstände und die Planung sowie Einleitung der Ausweichbewegung sowie deren evtl. Korrektur verantwortlich und steuert den Industrieroboter entsprechend an.
Die Erfassungsvorrichtung kann mehrere Sensoreinrichtungen aufweisen. Hierfür sind in den Unteransprüchen verschiedene Ausgestaltungen angegeben. Besondere Vorteil bietet eine Erfassungstechnik, die einerseits kontaktierend das Auftreten einer Kollision detektiert und die zusätzlich eine abstandsmessende Sensoreinrichtung für die Ausweichstrategie aufweist.
Die von der eingangs genannten Normung geforderte MRK-Sicherheit und sensorische Ausfallsicherheit kann mit der Sensoreinrichtung erreicht werden, die eine aufgetretene Kollision bevorzugt berührend detektiert und die den Normvorgaben entsprechend MRK-tauglich ausgebildet ist. Hierfür kann ein selbst MRK-tauglicher, insbesondere taktiler Industrieroboter, mit einer zugeordneten, insbesondere integrierten, und einwirkende Belastungen erfassenden Sensorik eingesetzt werden.
Die zusätzliche Sensoreinrichtung zur vorzugsweise berührungslosen Abstandsmessung braucht diesen Normvorgaben nicht zu folgen und kann dadurch wesentlich einfacher und kostengünstiger ausgebildet sein. Diese Sensoreinrichtung kann einen einfachen und kostengünstigen Sensor aufweisen, der am Industrieroboter oder extern angeordnet sein kann. Der Sensor kann als optischer Sensor, z. B. als 3D-Kamera, ausgebildet sein. Derartige Kameras sind aus anderen Bereichen, insbesondere Computeranwendungen für Animationen und Spiele, aus der Gebäudetechnik oder dgl. verfügbar und wegen großer Stückzahlen entsprechend kostengünstig. Die MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung und ggf. des Industrieroboters kann uneingeschränkt erhalten bleiben, wobei die Zusatzfunktion der Ausweichstrategie auf besonders einfache und kostengünstige Weise erreicht werden kann.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im Einzelnen zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter und einer Erfassungseinrichtung,
2 und 3: Schemadarstellungen für drohende Kollisionsfälle und Ausweichbewegungen und
4: einen taktilen Industrieroboter.
Die Erindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung (1) und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Arbeitsvorrichtung (1) .
Die Arbeitsvorrichtung (1) beinhaltet mindestens einen Industrieroboter (2), der ein Prozesswerkzeug (3) trägt und führt und mit diesem einen Prozess ausführt. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 4 dargestellt und wird nachfolge näher erläutert.
Die Arbeitsvorrichtung (1) weist ferner eine Steuerung (6) auf. Dies kann eine Robotersteuerung oder eine andere, insbesondere übergeordnete Stations- oder Anlagensteuerung sein. Das Prozesswerkzeug (3) und die auszuführenden Prozesse können beliebig ausgebildet sein. Es kann sich um Fügeprozesse, Auftrag- oder Umformprozesse, Handhabungs- und Montageprozesse und entsprechende Werkzeugausbildungen handeln. Das Prozesswerkzeug (3) kann auch eine oder mehrere eigene Bewegungsachsen und Antriebe aufweisen. In den Ausführungsbeispielen ist ein ggf. wechselbares Greifwerkzeug (3) gezeigt.
Der Industrieroboter (2) ist programmierbar und weist hierfür eine entsprechende Robotersteuerung (6) mit geeigneten Schnittstellen und Speichern auf. In der Robotersteuerung (6) sind ein oder mehrere Bahnprogramme für die Roboterbewegungen bei den auszuführenden Prozessen gespeichert. In den Bahnprogrammen können die Raumkoordinaten von ein oder mehreren Zielpunkten (19) und etwaigen beim Prozess anzufahrenden Stützpunkten nebst der zugehörigen kartesischen Trajektorien (21) gespeichert sein. In der Steuerung bzw. Robotersteuerung (6) kann insbesondere ein Algorithmus bzw. ein Programm für die nachfolgend erläuterte Auswertung von erfassten Abständen (d) und die Durchführung einer Ausweichbewegung (a) des Industrieroboters (2) gespeichert sein.
Die Arbeitsvorrichtung (1) ist für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kolaboration (abgekürzt MRK) in geeigneter Weise ausgebildet. Ein Werker (7) kann sich dabei ohne Schutzabtrennung im Arbeitsbereich des Industrieroboters (2) aufhalten und bewegen. Bei einer Kooperation können der Industrieroboter (2) und der Werker (7) eigenständig arbeiten. Bei einer Kollaboration findet eine Zusammenarbeit von Industrieroboter (2) und Werker (7) im Prozess statt.
Die MRK-taugliche Arbeitsvorrichtung (1) führt bei Auftreten einer Kollision eine MRK-Schutzmaßnahme gemäß der eingangs genannten einschlägigen Normung aus. Wenn der Industrieroboter (2) selbst oder mit seinem Prozesswerkzeug (3) mit dem Werker (7) oder mit einem anderen unvorhergesehenen Hindernis kollidiert und in Berührungskontakt tritt, sieht die MRK-Maßnahme z. B. ein Stehenbleiben oder eine Rückwärtsbewegung des Industrieroboters (2) vor. Bei einem Stillstand kann der Industrieroboter (2) ggf. auch kraftlos geschaltet werden und sich vom Werker (7) oder einem anderen Hindernis wegschieben lassen.
Für die Detektion einer aufgetretenen Kollision weist die Arbeitsvorrichtung (1) eine Erfassungsvorrichtung (5) auf. Diese kann eine oder mehrere Sensoreinrichtungen (16) für eine Kollisionserfassung aufweisen.
Im gezeigten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Industrieroboter (2) selbst MRK-tauglich ausgebildet und mit einer zugeordneten Sensoreinrichtung (16) für die Kollisionserfassung ausgerüstet. Die Sensoreinrichtung (16) kann einen oder mehrere Sensoren (17) zum Detektieren eines Berührungskontaktes zwischen dem Industrieroboter (2) und/oder dem Prozesswerkzeug (3) und dem Werker (7) oder einem anderen Hindernis aufweisen. Mit einem Sensor (17) können ggf. auch die dabei auftretenden Kollisionskräfte gemessen werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein oder mehrere Sensoren (17) in den Industrieroboter (2) integriert und erfassen die von außen im Kollisionsfall einwirkenden Belastungen. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können ein oder mehrere Sensoren (17) am Prozesswerkzeug (3) oder zwischen dem Industrieroboter (2) und dem Prozesswerkzeug (3) angeordnet sein. Ferner ist es möglich, das Auftreten einer Kollision auf andere Weise, z. B. elektrisch über Stromfluss bei Kontaktbildung oder dgl., und mit einer entsprechend ausgebildeten Sensoreinrichtung (16) zu detektieren.
Die Erfassungseinrichtung (5) detektiert zusätzlich einen Abstand (d) zwischen dem Industrieroboter (2) und/oder seinem Prozesswerkzeug (3) und dem Werker (7) oder einem anderen unvorhergesehenen Hindernis. Die Detektion bzw. Erfassung kann durch direkte Messung oder durch anderweitige indirekte Ermittlung, insbesondere Berechnung, eines Abstands erfolgen. Für die Abstandserfassung sind eine oder mehrere zusätzlich Sensoreinrichtung(en) (14, 15) vorgesehen. Die Sensoreinrichtungen (14, 15, 16) sind mit der Steuerung (6) über eine Signalverbindung (18), z. B. die gezeigte Signalleitung, oder drahtlos per Funk oder in anderer Weise gekoppelt.
Die Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere die Steuerung (6) ist dann dazu ausgebildet, bei einer drohenden Kollisionsgefahr den Industrieroboter (2) eine Ausweichbewegung (a) gegenüber dem Werker bzw. Hindernis (7) ausführen zu lassen. Die drohende Kollisionsgefahr kann aus dem erfassten Abstand ermittelt werden. Dies kann durch Auswertung der Abstandsgröße geschehen. Eine Kollisionsgefahr tritt ein, wenn der detektierte Abstand (d) gleich oder kleiner einem vorgegebenen Kollisionsabstand (x) ist. 2 und 3 zeigen hierfür zwei Ausführungsbeispiele.
Die Erfassungseinrichtung (5) prüft im Vorfeld entlang der programmierten Bewegungsbahn die Umgebung auf das Auftreten von solchen Kollisionsgefahren. Durch eine Ausweichbewegung (a) kann der Industrieroboter (2) dem Hindernis bzw. Werker (7) kollisionsfrei ausweichen und seine programmierte Prozessbewegung weiterführen und zu Ende führen, wobei z. B. der in 2 und 3 gezeigte Zielpunkt (19) erreicht wird. Die Ausweichbewegung (a) kann an dem Hindernis (7) vorbeiführen und diese umgehen oder ggf. einen zu geringen Abstand vom Hindernis oder Werker (7) vergrößern. Durch diese Vorfelderfassung und die Ausweichstrategie können eine MRK-Maßnahme und eine Prozessunterbrechung, insbesondere ein Stillstand der Arbeitsvorrichtung (1), vermieden werden. Die Ausweichbewegung (a) wird ausgeführt, bis der Zielpunkt (19) erreicht ist, oder bis der Eintritt einer Kollision detektiert wird.
2 verdeutlicht den Fall, in dem bei der programmierten Bahnbewegung des Industrieroboters (2) zu einem Zielpunkt (19) die Trajektorie (21) durch ein detektiertes Hindernis bzw. einen Werker (7) verläuft. Hierbei wird von der Sensoreinrichtung (14, 15) ein Abstand (d) entlang der Bewegungsbahn von einer kollisionsrelevanten Stelle (4) bis zu einer Auftreffstelle am Hindernis bzw. Werker (7) erfasst. Eine kollisionsrelevante Stelle (4) kann z. B. der in Bewegungsrichtung vorderste und am ehesten die Auftreffstelle erreichende Punkt am Prozesswerkzeug (3) sein.
Im andere Fall von 3 befindet sich das Hindernis bzw. der Werker (7) zwar außerhalb der Bewegungsbahn bzw. der Trajektorie (21) des Industrieroboters (2) zum Zielpunkt (19). Bei Verfolgung dieser Bahnbewegung würde allerdings der seitliche Abstand zum Hindernis bzw. Werker (7) zu klein und könnte einen vorgebenen Mindestabstand unterschreiten. Die Abstandsmessung betrifft dann den seitlichen Abstand (d) zwischen der Trajektorie (21) und dem Hindernis bzw. Werker (7).
Die Erfassungseinrichtung (5) erfasst den Abstand (d) nach Lage und Größe. Dies geschieht vorzugsweise berührungslos. Die Erfassung kann in einer direkten Messung des Abstands (d) zwischen einem kollisionsrelevanten Punkt (4) und dem Hindernis bzw. Werker (7) bestehen. Der Abstand (d) kann andererseits aus einer anderweitigen Abstandsmessung ermittelt werden. Dies ist z. B. der Fall, wenn die Mess-Bezugsstelle von der kollisionsrelevanten Stelle (4) distanziert ist.
Für die Ausgestaltung der Sensoreinrichtung(en) (14, 15) zur Abstandserfassung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Sensoreinrichtung (14) kann z. B. gemäß 1 am Industrieroboter (2) und/oder am Prozesswerkzeug (3) angeordnet sein. Sie wird bei der Roboterbewegung mitgeführt. Eine solche Sensoreinrichtung (14) kann einen oder mehrere geeignete Sensoren zur vorzugsweise berührungslosen Abtastung der Umgebung der programmierten Bewegungsbahn bzw. Trajektorie (21) im Vorfeld und mit Distanz zu der aktuellen Roboterposition aufweisen. Ein solcher Sensor kann z. B. ein Ultraschallsensor sein. Alternativ ist ein optischer Sensor oder ein anderer geeigneter Sensor mit Distanzwirkung möglich.
Die Erfassungseinrichtung (5) kann alternativ oder zusätzlich eine separat und extern vom Industrieroboter (2) angeordnete Sensoreinrichtung (15) für die Abstandserfassung aufweisen. Diese kann ebenfalls ein oder mehrere geeignete Sensoren beinhalten. Die Sensoreinrichtung (15) kann z. B. eine optische Arbeitsraumüberwachung durchführen und weist hierfür ein oder mehrere optische Sensoren auf. Ein Sensor kann z. B. als 3D-Kamera, als Tiefenbildkamera, als Laserabstandssensor oder dgl. ausgebildet sein. Die Sensoreinrichtung (15) kann sich oberhalb des Industrieroboters (2) und des Hindernisses bzw. Werkers (7) befinden und eine Überwachung aus der Vogelperspektive durchführen. Alternativ sind andere Anordnungen und Ausbildungen der Sensoreinrichtung(en) (14, 15) möglich.
Die Arbeitsvorrichtung (1) ist in geeigneter Weise ausgebildet, um eine Auswertung des erfassten Abstands (d) auszuführen. Sie trifft auch in Abhängigkeit hiervon die Entscheidung über eine Ausweichbewegung (a) und führt diese dann durch. Diese Vorgänge können in einer entsprechend ausgebildeten Steuerung (6), insbesondere der Robotersteuerung, durchgeführt werden. Eine Auswertung der Abstände (d) und ggf. eine Entscheidung für eine Ausweichbewegung (a) können auch in der Erfassungseinrichtung (5) erfolgen.
Der Ausweichprozess kann dynamisch sein. Eine Erfassung und Auswertung der Abstände kann während der Ausweichbewegung (a) erfolgen und kann ggf. zu einer Korrektur der Ausweichbewegung (a) führen. Dies kann insbesondere bei bewegten Hindernissen bzw. Werkern (7) der Fall sein.
Vorzugsweise erfasst die Erfassungseinrichtung (5) nicht nur die Existenz, sondern auch die Lage und/oder die Größe und/oder eine evtl. Bewegung des Hindernisses oder Werkers (7). Die besagte Lage schließt die Position und Ausrichtung im Raum ein. Bei einer Bewegung werden bevorzugt deren Richtung und Geschwindigkeit erfasst. Die Erfassung erfolgt über die Sensoreinrichtung(en) (14, 15). Die Ausweichbewegung wird vorzugsweise von der Steuerung (6) geplant und ausgeführt. Diese weist hierfür den erwähnten Algorithmus für die Ausgleichsbewegung (a) auf. Dies kann auch einen Online-Trajektorienplaner beinhalten, der eine bevorzugt kollisionsfreie Bahnplanung erstellt.
Wie 2 und 3 verdeutlichen, wird z. B. von dem Algorithmus bzw. Online-Trajektorienplaner ein zusätzlicher Bahnpunkt (20) generiert und die programmierte Bahnbewegung des Roboters entsprechend abgeändert. Die Ausweichbewegung (a) führt über einen oder mehrere zusätzliche Bahnpunkte (20) zu dem prozessbedingten Zielpunkt (19). Die Bewegung kann als Point-to-Point-Bewegung auf entsprechend geänderten Trajektorien ablaufen. Die ein oder mehreren Bahnpunkte (20) könne bedarfsweise bei einer dynamischen Ausweichstrategie geändert werden, insbesondere wenn das Hindernis oder der Werker (7) sich bewegen oder ein neues Hindernis (7) auftaucht.
Die MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung (1) und ggf. des Industrieroboters (2) kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Industrieroboter (2) selbst MRK-tauglich.
Vorzugsweise handelt es sich um einen taktilen mehrachsigen Industrieroboter (2) mit einer bevorzugt integrierten Sensoreinrichtung (16), der sensitive Eigenschaften hat und selbst einen Berührungskontakte mit dem menschlichen Körper oder anderen Hindernissen detektieren und hierauf mit der besagten MRK-Maßnahme reagieren kann. Der taktile Industrieroboter (2) detektiert zu MRK-Zwecken einen Berührungs- bzw. Kollisionskontakt als äußere Belastung, die an einer Roboterposition auftritt, an der diese Belastung nicht erwartet wird. Für die Reaktion auf einen Berührungskontakt kann es unterschiedlich hohe Belastungs- und Reaktionsschwellen geben. Der taktile Industrieroboter (2) kann mit dem Werker (7) in einem offenen Arbeitsbereich ohne Zaun oder andere Maschinengrenze zusammenarbeiten. Es kann dabei auch zu schmerzfreien oder schmerzarmen Kontakten kommen.
Der Industrieroboter (2) kann z. B. gemäß der DE 10 2007 063 099 A1 , DE 10 2007 014 023 A1 und/oder DE 10 2007 028 758 B4 ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 4 gezeigt.
Der Industrieroboter (2) ist an eine externe oder integrierte Robotersteuerung (6) angeschlossen. Der taktile Industrieroboter (2) kann die in 4 angedeutete, bevorzugt integrierte Sensoreinrichtung (16) für die Erfassung von extern einwirkenden Kräften und/oder Momenten aufweisen, die mit der Robotersteuerung (6) verbunden ist und zur Steuerung oder Regelung, insbesondere Nachgiebigkeitsregelung, der Roboterbewegungen verwendet wird. Der taktile Industrieroboter kann insbesondere kraft- oder momentengeregelte Achsen haben.
Der Industrieroboter (2) weist mehrere, z. B. vier, bewegliche und miteinander verbundene Glieder (8, 9, 10, 11) auf. Die Glieder (8, 9, 10, 11) sind vorzugsweise gelenkig und über drehende Roboterachsen I–VII miteinander und mit einem Sockel verbunden. Der Sockel kann einen in 4 gezeigten Anschluss für Betriebsmittel haben. Es ist ferner möglich, dass einzelne Glieder (9, 10) mehrteilig und in sich beweglich, insbesondere um die Längsachse verdrehbar, ausgebildet sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Industrieroboter (2) als Gelenkarm- oder Knickarmroboter ausgebildet und weist sieben angetriebene Achsen bzw. Bewegungsachsen I-VII auf. Die Achsen I–VII sind mit der Robotersteuerung verbunden und können gesteuert und ggf. geregelt werden. Das abtriebsseitige Endglied (11) des Roboters (2) ist z. B. als Roboterhand ausgebildet und weist das um eine Drehachse (13) drehbare Abtriebselement (12), z. B. einen Abtriebsflansch, auf. Die Drehachse (13) bildet die letzte Roboterachse VII. Durch ein ggf. hohles Abtriebselement (12) und ggf. andere Roboterglieder (8, 9, 10) können eine oder mehrere Leitungen für Betriebsmittel, z. B. Leistungs- und Signalströme, Fluide etc. geführt sein und am Flansch (12) nach außen treten. Auch die Signalleitung (18) kann roboterintern geführt sein.
Der Roboter (2) hat vorzugsweise drei oder mehr bewegliche Glieder (8, 9, 10, 11). Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist er ein mit dem Untergrund über einen Sockel verbundenes Basisglied (8) und das vorerwähnte Endglied (11) sowie zwei Zwischenglieder (9, 10) auf. Die Zwischenglieder (9, 10) sind mehrteilig und in sich verdrehbar mittels Achsen (III) und (V) ausgebildet. Die Zahl der Zwischenglieder (9, 10) kann alternativ kleiner oder größer sein. In weiterer Abwandlung können einzelne oder alle Zwischenglieder (9, 10) in sich drehfest und ohne zusätzliche Achse ausgebildet sein. Die Glieder (8, 9, 10, 11) können eine gerade oder gemäß 4 abgewinkelte Form haben. Der Industrieroboter (2) kann gemäß 1 stehend oder alternativ hängend angeordnet sein.
Die Roboterachsen I–VII weisen jeweils ein Achslager, z. B. Drehlager bzw. ein Gelenk, und einen hier zugeordneten und integrierten steuerbaren, ggf. regelbaren Achsantrieb, z. B. Drehantrieb, auf. Außerdem können die Roboterachsen I–VII eine steuer- oder schaltbare Bremse und die ggf. redundante Sensoreinrichtung (16) haben. Die Sensorik kann integriert sein und kann z. B. einen oder mehrere, in 1 schematisch angedeutete Sensoren (17) an einer oder mehreren Roboterachsen I–VII aufweisen. Diese Sensoren (17) können gleiche oder unterschiedliche Funktionen haben. Sie können insbesondere zum Erfassen von einwirkenden Belastungen, insbesondere von Momenten, ausgebildet sein. Sie können ferner Drehbewegungen und ggf. Drehpositionen detektieren.
Die vorgenannte Kraftsteuerung oder Kraftregelung der Roboterachsen (I–VII) bezieht sich auf die Wirkung nach außen am Abtriebselement (12) des Endglieds (11) sowie auf die dort einwirkenden Reaktionskräfte. Roboterintern findet an den drehenden Achsen oder Achsantrieben eine Momentensteuerung oder Momentenregelung statt.
Der Industrieroboter (2) kann für die MRK-Tauglichkeit eine oder mehrere nachgiebige Achsen (I–VII) bzw. nachgiebige Achsantriebe mit einer Nachgiebigkeitsregelung haben. Die Nachgiebigkeitsregelung kann eine reine Kraftregelung oder eine Kombination aus einer Positions- und einer Kraftregelung sein. Eine solche nachgiebige Achse vermeidet Unfälle mit Personen und Crashs mit Gegenständen im Arbeitsbereich durch Kraftbegrenzung und ggf. Stillstand oder federndes Ausweichen im Fall unvorhergesehener Kollisionen. Sie kann andererseits in verschiedener Hinsicht für den Arbeitsprozess vorteilhaft genutzt werden. Einerseits kann die federnde Ausweichfähigkeit des Industrieroboters (2) zum manuellen Teachen und Programmieren benutzt werden. Über eine Belastungserfassung mit der Robotersensorik an den Achsen (I–VII) kann außerdem das Suchen und Finden der Arbeitsposition des Prozesswerkzeugs (2) am Werkstück unterstützt und erleichtert werden. Auch Winkelfehler in der Relativstellung der Glieder (8, 9, 10, 11) können detektiert und bedarfsweise korrigiert werden. Eine oder mehrere nachgiebige Achsen sind außerdem zum Nachführen des Prozesswerkzeugs (3) entsprechend des Vorschubs vorteilhaft. Der Industrieroboter (2) kann außerdem bedarfsweise eine definierte Andruck- oder Zugkraft aufbringen. In den verschiedenen Fällen kann auch eine Gewichtskompensation erfolgen.
Der dargestellte Industrieroboter (2) kann als Leichtbauroboter ausgebildet sein und aus leichtgewichtigen Materialien, z. B. Leichtmetallen und Kunststoff bestehen. Er hat auch eine kleine Baugröße. Das in seiner Konstruktion und Funktion vereinfachte Prozesswerkzeug (3) hat ebenfalls ein geringes Gewicht. Der Industrieroboter (2) mit seinem Prozesswerkzeug (3) ist dadurch insgesamt leichtgewichtig und kann ohne größeren Aufwand transportiert und von einem Einsatzort zum anderen verlegt werden. Das Gewicht von Industrieroboter (2) und Prozesswerkzeug (3) kann unter 50 kg, insbesondere bei ca. 30 kg, liegen. Durch die Möglichkeit des manuellen Teachens kann der Industrieroboter (2) schnell und einfach programmiert, in Betrieb genommen und an unterschiedliche Prozesse angepasst werden.
Der Industrieroboter (2) ist programmierbar, wobei die Robotersteuerung (6) eine Recheneinheit, einen oder mehrere Speicher für Daten oder Programme sowie Eingabe- und Ausgabeeinheiten aufweist. Das Prozesswerkzeug (3) kann mit der Robotersteuerung (6) oder einer anderen gemeinsamen Steuerung verbunden und kann z. B. als gesteuerte Achse in der Robotersteuerung implementiert sein. Die Robotersteuerung kann prozessrelevante Daten, z. B. Sensordaten, speichern und für eine Qualitätskontrolle und -sicherung protokollieren.
Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen können die Merkmale der Ausführungsbeispiele und Ihrer Abwandlungen beliebig miteinander kombiniert und auch ausgetauscht werden. Bei einer MRK-tauglichen Arbeitsvorrichtung (1) kann auch ein anderer konventioneller Industrieroboter (2) ohne eigene MRK-Tauglichkeit eingesetzt werden, der z. B. nicht taktil ist und/oder nur positionsgesteuerte Achsen hat. Die Erfassungseinrichtung (5), insbesondere die Kollisionen detektierende Sensoreinrichtung (16) ist hierfür entsprechen ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsvorrichtung
2: Roboter, taktiler Roboter, Leichtbauroboter
3: Prozesswerkzeug
4: kollisionsrelevante Stelle
5: Erfassungseinrichtung
6: Steuerung
7: Hindernis, Werker
8: Glied, Basisglied
9: Glied, Zwischenglied
10: Glied, Zwischenglied
11: Glied, Endglied, Hand
12: Abtriebselement, Abtriebsflansch, Drehflansch
13: Drehachse
14: Sensoreinrichtung Abstandsmessung an Roboter
15: Sensoreinrichtung Abstandsmessung extern
16: Sensoreinrichtung Kollisionserfassung
17: Sensorik in Roboter
18: Signalverbindung
19: Zielpunkt
20: zusätzlicher Bahnpunkt
21: Trajektorie
a: Ausweichbewegung
d: Abstand gemessen
x: Kollisionsabstand
I–VII: Achse von Roboter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10226140 A1 [0003]
DE 102005003827 A1 [0003]
DE 102008063081 A1 [0003]
DE 102010007025 A1 [0003]
DE 102010048369 A1 [0003]
WO 2009/155947 A1 [0003]
DE 102007063099 A1 [0004, 0043]
DE 102007014023 A1 [0004, 0043]
DE 102007028758 B4 [0004, 0043]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO/IS 15066 [0004]
EN ISO 10218-1,2 [0004]

Claims

Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter (2), der ein Prozesswerkzeug (3) trägt, und mit einer Steuerung (6), wobei die Arbeitsvorrichtung (1) für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) ausgebildet ist und eine mit der Steuerung verbundene Erfassungseinrichtung (5) mit einer Sensoreinrichtung (16) für die Detektion einer aufgetretenen Kollision des Industrieroboters (2) oder des Prozesswerkzeugs (3) mit einem Hindernis (7), insbesondere mit einem Werker, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) zusätzlich einen Abstand (d) zwischen dem Industrieroboter (2) und/oder dem Prozesswerkzeug (3) und dem Hindernis (7) erfasst und die Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere die Steuerung (6), dazu ausgebildet ist, bei einer aus dem Abstand ermittelten Kollisionsgefahr den Industrieroboter (2) eine Ausweichbewegung (a) gegenüber dem Hindernis (7) ausführen zu lassen.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) bei der Ausweichbewegung (a) seine programmierte Prozessbewegung weiter und zu Ende führt.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) eine Ausweichbewegung (a) an dem Hindernis (7) vorbei ausführt.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) die Lage und/oder die Größe und/oder eine Bewegung, insbesondere nach Richtung und Geschwindigkeit, des Hindernisses (7) erfasst.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) berührend eine aufgetretene Kollision detektiert und ggf. Kollisionskräfte misst.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) eine den Abstand (d) bevorzugt berührungslos messende Sensoreinrichtung (14, 15) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Abstand (d) berührungslos messende Sensoreinrichtung (14, 15) am Industrieroboter (2) oder am Prozesswerkzeug (3) oder separat und extern angeordnet ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Abstand (d) berührungslos messende Sensoreinrichtung (14, 15) einen optischen Sensor oder einen Ultraschallsensor aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) MRK-tauglich ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) bei einer Kollision eine MRK-Schutzmaßnahme ausführt, insbesondere stehen bleibt oder eine Rückwärtsbewegung ausführt.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) als taktiler Roboter ausgebildet ist, wobei eine den Kontakt des Industrieroboters (2) oder des Prozesswerkzeugs (3) mit einem Hindernis (7) detektierende Sensoreinrichtung (16) eine dem Industrieroboter (2) zugeordnete Sensorik (17) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Industrieroboter (2) mehrere beweglich, insbesondere drehbar, miteinander verbundene Glieder (8, 9, 10, 11,) und eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I–VII) sowie eine integrierte, einwirkende Belastungen erfassende Sensorik (17) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der taktile Industrieroboter (2) mindestens eine nachgiebige Roboterachse (I–VII) mit einer Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere einer reinen Kraftregelung oder einer Kombination aus Positions- und Kraftregelung, aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (6) ein gespeichertes Bahnprogramm für die Roboterbewegungen und einen Algorithmus für die Ausweichbewegung (a) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus für die Ausweichbewegung (a) einen Online-Trajektorienplaner, insbesondere für eine kollisionsfreie Bahnplanung, beinhaltet.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere die Erfassungseinrichtung (5) oder die Steuerung (6), eine Auswertung der gemessenen Abstände (d) durchführt.