DE202013105036U1

DE202013105036U1 - Erfassungseinrichtung

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Publication number: DE202013105036U1
Application number: DE202013105036.9U
Authority: DE
Original assignee: Daimler AG; KUKA Systems GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-02-10
Anticipated expiration: 2023-11-09
Also published as: WO2015067680A2; EP3066441A2; US9962836B2; WO2015067680A3; CN105705305B; CN105705305A; US20160279797A1

Abstract

Erfassungseinrichtung für roboterinduzierte Belastungen, die in einem Arbeitsprozess bei Berührungskontakt auf den menschlichen Körper einwirken können, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) eine Messeinrichtung (16) für roboterinduzierte Belastungen, insbesondere Kräfte, und eine Positioniereinrichtung (15) zur prozessgerechten Positionierung und Ausrichtung der Messeinrichtung (16) im Arbeitsbereich eines Industrieroboters (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Bei modernen Arbeitsvorrichtungen können Menschen mit Industrierobotern, insbesondere taktilen Robotern, kooperieren oder kollaborieren. Dies wird als Mensch- Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) bezeichnet. Berührungskontakte zwischen dem menschlichen Körper und dem Industrieroboter bzw. seinem Prozesswerkzeug sind dabei unter Einsatz von berührend wirkende Schutzmaßnahmen in Grenzen zugelassen. 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.
Bei einer MRK und bei Einsatz berührend wirkender Schutzmaßnahmen sind bestimmte Grenzwerte einzuhalten, die sich bzgl. der Beanspruchungsart unterscheiden und die auch abhängig von der betroffenen Körperregion des Menschen, insbesondere eines Werkers, sind.
Die DE 10 2010 052 418 A1 offenbart eine Kraftbegrenzungseinrichtung für einen Roboter, die zwischen dem Roboter und seiner Abstützung angeordnet ist. Sie wird bei Überlast nachgiebig und erlaubt ein Ausweichen des kompletten Roboters gegenüber der Kollisionsstelle. Hierbei ist ein Drehmomentbegrenzer vorhanden, der einen Grenzmoment definiert, bei dessen Überschreiten die Kraftbegrenzungseinrichtung nachgibt.
Aus der DE 101 62 412 A1 , DE 10 2006 055 849 A1 , DE 10 2007 063 099 A1 , DE 10 2008 041 602 A1 , DE 10 2009 047 033 A1 , DE 10 2011 109 908 A1 und DE 10 2012 015 975 A1 sind Sicherheitseinrichtungen bekannt, die eine faktische Kollision eines Roboters im Prozessbetrieb mit einem Hindernis detektieren oder eine bestehende Kollisionsgefahr sensieren. Die Detektionseinrichtungen befinden sich am Roboter oder am Werkstück. Allenfalls werden vermutete Kollisionskräfte aus Simulationsmodellen hergeleitet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Schutztechnik für MRK zu verbessern.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit der beanspruchten Erfassungstechnik, insbesondere einer Erfassungsvorrichtung und einem Erfassungsverfahren.
Die beanspruchte Erfassungstechnik für die im Prozess möglicherweise auf den menschlichen Körper einwirkenden, roboterinduzierten Belastungen erlaubt eine Optimierung der Schutzmaßnahmen bei der Auslegung einer MRK- Arbeitsvorrichtung und insbesondere eines MRK-tauglichen Industrieroboters. Die Auslegung kann sich an den erfassten und den tatsächlichen Prozessbedingungen entsprechenden Körperbelastungen im Berührungsfall orientieren. Sie ist damit präzisier als eine Auslegung auf der Basis von Annahmen.
Andererseits kann diese Auslegung hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Arbeitsvorrichtung und des Industrieroboters, insbesondere hinsichtlich der Robotergeschwindigkeit(en) optimiert werden. Die Erfassungstechnik kann auch zum Kalibrieren einer dem MRK- tauglichen Industrieroboter zugeordneten oder in diesen integrierten Sensorik eingesetzt werden. Ferner sind eine Validierung und ein Nachweis der MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung und des Industrieroboters möglich.
Ein Berührungskontakt mit dem menschlichen Körper kann nach zwei Beanspruchungsarte unterschieden werden, nämlich nach der auftretenden Stoßkraft und der auftretenden Klemm- und Quetschkraft. Die Stoßkraft ist eine dynamische Kraft, die im ersten Kraftimpuls bei Kontakt mit dem menschlichen Körper übertragen wird (Peak). Die Klemm- und Quetschkraft ist die statische Kraft, die nach einem ersten Kraftimpuls erhalten bleibt. Die Kraftgrenzwerte für die jeweiligen Beanspruchungsarten sind für einzelne Körperregionen in einem Körpermodell festgelegt. Mit der beanspruchten Erfassungstechnik kann sichergestellt werden, dass bei der Entwicklung von MRK-Arbeitsvorrichtungen und MRK-tauglichen Industrierobotern diese spezifischen Kraftgrenzwerte eingehalten werden.
Die beanspruchte Erfassungstechnik hat den Vorteil, dass die Messeinrichtung eine realitätsnahe Messung von Kollisionskräften bei einer Kollision von Mensch und Roboter ermöglicht. Die Messeinrichtung kann über die Positioniereinrichtung prozess- und praxisgerecht positioniert und ausgerichtet werden. Sie kann dadurch die betroffene und zu überprüfende Körperregion eines Werkers simulieren.
Die Erfassungstechnik kann ferner an die Reaktion des abzusichernden Körperteils im Kollisionsfall angepasst werden. Dies betrifft insbesondere das Federverhalten und ggf. auch das Dämpfungsverhalten des Körperteils im Kollisionsfall. Hierdurch kann eine besonders realitätsnahe Erfassung der im Kollisionsfall auftretenden Belastungen, insbesondere der Kollisionskräfte, erreicht werden. Zudem kann die Messung der Stoßkräfte sowie der Klemm- und Quetschkräfte im tatsächlichen Programmablauf der Arbeitsvorrichtung bzw. des Industrieroboters erfolgen.
Bei der beanspruchten Arbeitsvorrichtung wird vorzugsweise ein für die Mensch-Roboter-Kooperation (abgekürzt MRK) tauglicher Industrieroboter eingesetzt. Dieser hat vorzugsweise eine oder mehrere nachgiebige Roboterachsen. Die Roboterachse(n) kann/können eine Nachgiebigkeitsregelung haben. Diese kann unterschiedlich ausgelegt sein und ein unterschiedliches Nachgiebigkeitsverhalten erzeugen. Dies kann z.B. eine intrinsische Nachgiebigkeit sein, die aktiv oder passiv ausgebildet ist. Die Nachgiebigkeit kann auch eine reine Federfunktion sein. Die MRK-Tauglichkeit des Industrieroboters kann alternativ auf andere Weise, z.B. durch eine externe Sensorik oder Arbeitsraumüberwachung erreicht werden.
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 Arbeitsstation mit einem MRK-tauglichen Industrieroboter, einem Werker und einer Erfassungseinrichtung für Kollisionsbelastungen in einer schematischen Seitenansicht,
2 und 3: verschiedene perspektivische Ansichten der Erfassungseinrichtung von 1,
4 und 5: eine Messeinrichtung der Erfassungseinrichtung von 1 bis 3 in verschiedenen Ansichten,
6 und 7: eine Variante der Messeinrichtung von 2 bis 5 in Perspektiv- und Seitenansicht und
8: einen MRK-tauglichen taktilen Roboter.
Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung (2) und ein Erfassungsverfahren für roboterinduzierte Belastungen, insbesondere Kräfte, die in einem Arbeitsprozess bei Berührungskontakt auf den menschlichen Körper eines Werkers (14) einwirken können. Die Erfindung betrifft ferner einen Arbeitsvorrichtung (1) mit einem Industrieroboter (3) und einer Erfassungseinrichtung (2).
Die Arbeitsvorrichtung (1) weist mindestens einen mehrachsigen und programmierbaren Industrieroboter (3) auf, der bevorzugt als taktiler Roboter ausgebildet ist und der ein Prozesswerkzeug (4) trägt und bewegt. Eine in 8 gezeigte bevorzugte Ausführungsform des Industrieroboter (3) wird nachfolgend erläutert.
Der Industrieroboter (3) führt mit seinem Werkzeug (4) einen Prozess an einem nicht dargestellten Werkstück durch. Der Prozess und das Prozesswerkzeug (4) können beliebig ausgebildet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Fügeprozess, insbesondere einen Montageprozess, wobei das Prozesswerkzeug (4) als Greifer ausgebildet ist. Andere alternative Prozesse sind andere Fügeprozesse mit Schweißen, Kleben, Löten oder dgl. Fügeoperationen, Auftrageprozesse, Umformprozesse oder dergleichen. Das Prozesswerkzeug (4) kann auch eine oder mehrere eigene Bewegungsachsen und Antriebe aufweisen.
Die Arbeitsvorrichtung (1) ist für eine Mensch-Roboter- Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) mit einem Werker (14) ausgebildet, der mit einem oder mehreren Körperteilen in den Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) gelangen kann. Dabei sind Berührungskontakte zwischen dem Industrieroboter (3) bzw. dem Prozesswerkzeug (4) und dem Werker (14) möglich, wobei mechanische Belastungen für ein betroffenes Körperteil entstehen können. Diese Belastungen, insbesondere die auftretenden Kräfte, sollen einerseits zur Vermeidung oder zur Begrenzung von Verletzungen beeinflusst werden, wobei andererseits die Leistungsfähigkeit der Arbeitsvorrichtung (1) und ihres Industrieroboters (3) möglichst hoch sein soll.
Bei der Auslegung der Arbeitsvorrichtung bzw. des Industrieroboters (3) und der durchzuführenden Prozesse bzw. der Roboterprogrammierung werden die Roboterbewegungen und insbesondere die dabei auftretenden Robotergeschwindigkeiten einerseits möglichst hoch gewählt, wobei andererseits die hiervon ausgehenden Belastungen bei Körperkontakt mit dem Werker (14) auf einen zulässigen Grenzwert beschränkt werden. Der für die jeweils betroffene Körperregion maßgebende Grenzwert kann aus einem Körpermodell entnommen werden.
Mit der Erfassungseinrichtung (2) wird ein solcher Körperkontakt simuliert, wobei die dabei auftretenden mechanischen Belastungen, insbesondere einwirkenden Kräfte gemessen, ausgewertet und mit den vorgegeben Grenzwerten verglichen werden. Die Auslegung und Programmierung kann anhand der Vergleichsergebnisse optimiert werden.
Die Belastungserfassung erfolgt unter realistischen Prozessbedingungen, wobei der Industrieroboter (3) sich entlang seiner programmierten Bahn bewegt und mit einer Kollisionsstelle (13) an seinem Prozesswerkzeug (4) oder an einem anderen Roboterteil mit der Erfassungseinrichtung (2) in Berührungskontakt bzw. in Kollision gerät. Die Kollisionsstelle (13) befindet sich z.B. gemäß 1 an einer Kante des Prozesswerkzeugs (4).
Die dabei auftretenden Belastungen sind auch von der Form der Kollisionsstelle (13) abhängig, wobei spitze oder scharfkantige Berührungsstellen (13) stärkere Belastungen und eine höhere Verletzungsgefahr hervorrufen als stumpfe Kollisionsstellen (13). Über die Roboterprogrammierung kann erfasst werden, wo die Kollisionsstelle (13) am Industrieroboter (3) bzw. am Prozesswerkzeug (4) angeordnet ist und welche Form sie hat. Dies kann sich auf den Grenzwertvergleich entsprechend auswirken.
Die Erfassungseinrichtung (2) ist mit einer Auswerteeinheit (29) ausgerüstet, an die über eine Signalverbindung (18), z.B. eine elektrische Signalleitung, auch die Robotersteuerung (12) des Industrieroboters (3) angeschlossen sein kann. Die Auswerteeinheit (29) kann eine separate Auswerteeinrichtung sein. Sie kann alternativ oder zusätzlich als Softwaremodul ausgebildet und in eine externe Auswerte- oder Steuereinrichtung, insbesondere in die Robotersteuerung (12) implementiert sein.
Die Auswerteeinheit (29) bzw. die Steuerung (12) kann eine Auswertung der Messsignale und ggf. auch einen Vergleich mit den vorgegeben Grenzwerten aus einem ggf. in der Auswerteeinheit (29) bzw. in der Steuerung (12) gespeicherten Körpermodell durchführen. Die Optimierung der Bewegungsprogrammierung und insbesondere der programmierten Robotergeschwindigkeiten im Gefahren- und Kollisionsbereich anhand des Grenzwertvergleichs kann manuell durch einen Bediener oder Programmierer erfolgen. Sie kann mit entsprechender Software auch automatisiert werden.
Die in 1 schematisch und in 2 bis 7 in zwei Varianten detaillierter dargestellte Erfassungseinrichtung (2) weist eine Messeinrichtung (16) zur Erfassung der roboterinduzierten Belastungen, insbesondere der auftretenden Kräfte, und eine Positioniereinrichtung (15) zur prozessgerechten Positionierung und Ausrichtung der Messeinrichtung (16) im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) auf. Die Messeinrichtung (16) kann dadurch an potenziellen Gefahren- und Kollisionsstellen positioniert und ausgerichtet werden, um hierdurch einen möglichen Körperkontakt mit dem Werker (14) zu simulieren. Die Positionierung und Ausrichtung erfolgt entsprechend der möglicherweise in einem solchen Bereich befindlichen Körperregion.
Die Messeinrichtung (16) weist in beiden Varianten ein Messmittel (17) sowie ein damit beweglich und elastisch ausweichfähig verbundenes Kollisionselement (19) für die Detektion eines Kontakts mit einer Kollisionsstelle (13) auf. Das Kollisionselement (19) simuliert die Körperoberfläche und kann hierfür entsprechend geeignet ausgebildet sein. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Kollisionselement (19) plattenförmig, z.B. als kreisrunder Teller, gestaltet.
Die Ausweichfähigkeit des Kollisionselements (19) kann nach einer oder mehreren Ausweichachsen (28) erfolgen. Bei einem solchen Ausweichen kann auch ein Nachgiebigkeitsverhalten des simulierten Körperteils, insbesondere ein Federverhalten und/oder ein Dämpfungsverhalten, simuliert werden.
Zwischen dem Kollisionselement (19) und dem Messmittel (17) ist in beiden Varianten ein Ausweich- und Führungsmittel (20) angeordnet und mit beiden Teilen (17, 19) verbunden. Das Ausweich- und Führungsmittel (20) hat mindestens eine Ausweichachse (28), die z.B. normal zur Oberfläche des Kollisionselements (19) ausgerichtet ist. Das Ausweich- und Führungsmittel (20) weist bevorzugt ein an das betroffene Körperteil angepasstes Feder- und/oder Dämpfungsverhalten auf.
Für die konstruktive und funktionale Ausgestaltung des Ausweich- und Führungsmittels (20) gibt es verschiedene Möglichkeiten. 2 bis 5 und 6, 7 zeigen hierzu zwei Varianten.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist zwischen dem Kollisionsmittel (19) und dem Messmittel (17) eine Feder (21) eingespannt, die sich an beiden Elementen (17, 19) abstützt. Sie ist z.B. als Schraubenfeder ausgebildet und mit Zapfen an den Elementen (17, 19) geführt.
Ferner ist eine Führung (22) für das Kollisionselement (19) vorhanden. Diese ist bevorzugt als Geradführung mit mehreren parallelen Führungshülsen ausgebildet, z.B. in Form von Gleitlagerbuchsen, in denen zylindrische Führungsstangen gleiten, die an einem Ende mit dem Kollisionsmittel (19) verbunden sind und am anderen Ende einen ggf. verstellbaren Endanschlag zur Begrenzung der Ausziehlänge tragen. Das Kollisionsmittel (19) kann kipp- und drehfest entlang der Ausweichachse (28) geführt werden.
In der Ausführung von 2 bis 5 sind zwei parallele Führungshülsen (22) vorgesehen. Die Variante von 6 7 hat drei parallele Führungshülsen (22), die im Dreieck angeordnet sind. Die Führungsstangen sind am rückwärtigen Ende durch ein dreiarmiges Koppelelement (32) verbunden, welches für eine Stabilisierung und Synchronisation sorgt sowie einen Endanschlag bilden kann.
Die Feder (21) weist eine Federsteifigkeit auf, die der Kompressionsrate des betroffenen Körperteils entsprechen oder an diese angenähert sein kann. Die Kompressionsrate kann ebenfalls dem Körpermodell entnommen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Feder (21) als Druckfeder, insbesondere Schraubenfeder, ausgebildet. Sie ist entlang der Geradführung (22) und der hierdurch gebildeten Ausweichachse (28) ausgerichtet.
Die Führung (22), insbesondere die Geradführung, kann eine ggf. einstellbare Dämpfung aufweisen, die z.B. durch ein einstellbares Reibelement (nicht dargestellt) gebildet sein kann. Auch eine fluidische, insbesondere hydraulische Dämpfung ist möglich, z.B. mit einem oder mehreren Dämpfzylindern. Die Dämpfung kann der Reaktion des kontaktierten Körperteils entsprechen oder an diese angenähert sein und kann ggf. dem Körpermodell entnommen werden.
Das Messmittel (17) ist als Senoranordnung ausgebildet und vorzugsweise an die Auswerteeinheit (29) bzw. an die Signalverbindung (18) angeschlossen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Kraftsensor vorgesehen, der auf einem Halter (23) angeordnet und rückseitig abgestützt ist, welcher seinerseits mit der Positioniereinrichtung (15) verbunden ist. Der Halter (23) ist außerdem mit dem Ausweich- und Führungsmittel (20), insbesondere der Geradführung (22), verbunden. Der Kraftsensor ist in der gezeigten Ausführungsform als 3-D-Kraftsensor ausgebildet und wird auf der Oberseite von der Feder (21) belastet.
Der Halter (23) ist an der Positioniereinrichtung (15) verstellbar und in der gewünschten Position und Ausrichtung fixierbar angeordnet. In der ersten Ausführung von 2 bis 5 ist der Halter (23) direkt an der Säule (25) befestigt. In der Variante von 6 und 7 ist ein Unterbau (33) vorhanden, der aus einer an der Säule (25) befestigten Anbauplatte und drei längs der Achse (28) ausgerichteten Stützsäulen besteht. Diese sind im Dreieck versetzt zu den Führungen (22) angeordnet und distanzieren den Halter (23) von der Anbauplatte. Das Koppelelement ragt mit seinen Armen in die Lücken zwischen den Stützsäulen.
Die Positioniereinrichtung (15) erlaubt eine räumliche Verstellung der Messeinrichtung (16) in einer oder bevorzugt mehreren translatorischen und/oder rotatorischen Stellachsen (30, 31) und hat hierfür eine geeignete Ausbildung. Die Positioniereinrichtung (15) weist ein Gestell (24) auf, das einteilig oder mehrteilig und in sich starr oder beweglich ausgebildet sein kann. Ferner sind ein oder mehrere Stellmittel (27) zum definierten Verstellen und Fixieren vorgesehen. Dies können z.B. gerade oder gebogene Nuten mit Gleitsteinen und Fixiermitteln oder Langlochführungen mit Klemmschrauben oder dgl. sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Gestell (24) eine Basis (26) für eine Montage an einem Arbeitstisch oder einer anderen Unterlage im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) auf. Auf der Basis (26) ist eine aufrechte Säule (25) angeordnet. Das Messmittel (17) ist z.B. über den Halter (23) entlang der Stellachse (30) höhenverstellbar an der Säule (25) gelagert und kann in der gewünschten Position fixiert werden.
Die Säule (25) kann mit der Basis (26) starr oder beweglich verbunden sein. Die Säule (25) ist z.B. auf einer ein- oder mehrteiligen Fußplatte starr oder beweglich angeordnet. Über eine bewegliche Verbindung kann eine rotatorische Stellachse (31) mit geeigneten Stellmitteln (27) gebildet werden, z.B. zwischen Säule (25) und der Fußplatte. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere translatorische Stellachsen zwischen der Säule (25) und der Basis (26) vorhanden sein. Anderseits ist es möglich, zwischen zwei beweglichen Gestellteilen, insbesondere zwischen der Säule (25) und der Basis (26), eine weitere Ausweichachse zu bilden.
Die MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung (1) und ggf. des Industrieroboters (3) kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Industrieroboter (3) als taktiler Roboter ausgebildet und ist selbst MRK-tauglich.
Vorzugsweise handelt es sich um einen taktilen mehrachsigen Industrieroboter (3) mit einer bevorzugt integrierten Sensorik (11), der sensitive Eigenschaften hat und selbst einen Berührungskontakte mit dem menschlichen Körper oder anderen Hindernissen detektieren und hierauf reagieren kann. Er kann dabei z.B. stehen bleiben oder sich ggf. auch von der Kontaktstelle entfernen, insbesondere zurückbewegen. Der taktile Industrieroboter (3) detektiert einen Berührungskontakt 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 (3) kann mit dem Werker (14) in einem offenen Arbeitsbereich ohne Zaun oder andere Maschinengrenze zusammenarbeiten. Es kann dabei auch zu schmerzfreien Kontakten kommen.
Der Industrieroboter (3) 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 gemäß 8 wird nachstehend erläutert.
Der Industrieroboter (3) ist an eine externe oder integrierte Robotersteuerung (12) angeschlossen. Der taktile Industrieroboter (3) kann die in 8 angedeutete, bevorzugt integrierte Sensorik (11) für die Erfassung von extern einwirkenden Kräften und/oder Momenten aufweisen, die mit der Robotersteuerung (12) 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 (3) weist mehrere, z.B. vier, bewegliche und miteinander verbundene Glieder (5, 6, 7, 8) auf. Die Glieder (5, 6, 7, 8) sind vorzugsweise gelenkig und über drehende Roboterachsen I-VII miteinander und mit einem Sockel verbunden. Der Sockel kann einen in 8 gezeigten Anschluss für Betriebsmittel haben. Es ist ferner möglich, dass einzelne Glieder (6, 7) mehrteilig und in sich beweglich, insbesondere um die Längsachse verdrehbar, ausgebildet sind.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Industrieroboter (3) 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 (8) des Roboters (3) ist z.B. als Roboterhand ausgebildet und weist das um eine Drehachse (10) drehbare Abtriebselement (9), z.B. einen Abtriebsflansch, auf. Die Drehachse (10) bildet die letzte Roboterachse VII. Durch ein ggf. hohles Abtriebselement (9) und ggf. andere Roboterglieder (5, 6, 7) können eine oder mehrere Leitungen für Betriebsmittel, z.B. Leistungs- und Signalströme, Fluide etc. geführt sein und am Flansch (9) nach außen treten.
Der Roboter (3) hat vorzugsweise drei oder mehr bewegliche Glieder (5, 6, 7, 8). Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist er ein mit dem Untergrund über einen Sockel verbundenes Basisglied (5) und das vorerwähnte Endglied (8) sowie zwei Zwischenglieder (6, 7) auf. Die Zwischenglieder (6, 7) sind mehrteilig und in sich verdrehbar mittels Achsen (III) und (V) ausgebildet. Die Zahl der Zwischenglieder (6, 7) kann alternativ kleiner oder größer sein. In weiterer Abwandlung können einzelne oder alle Zwischenglieder (6, 7) in sich drehfest und ohne zusätzliche Achse ausgebildet sein. Die Glieder (5, 6, 7, 8) können eine gerade oder gemäß 8 abgewinkelte Form haben. Der Industrieroboter (3) 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 Sensorik (11) haben. Die Sensorik kann integriert sein und kann z.B. einen oder mehrere Sensoren an einer oder mehreren Roboterachsen I-VII aufweisen. Diese Sensoren 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. In einer anderen Ausführungsform kann ein solche mit der Robotersteuerung verbundene Sensorik am Industrieroboter (3) extern angebaut sein, z.B. am Abtriebselement (8) oder am Prozesswerkzeug (4).
Die vorgenannte Kraftsteuerung oder Kraftregelung der Roboterachsen (I-VII) bezieht sich auf die Wirkung nach außen am Abtriebselement (9) des Endglieds (8) sowie auf die dort einwirkenden Reaktionskräfte. Roboterintern findet an den drehenden Achsen oder Achsantrieben eine Momentensteuerung oder Momentenregelung statt.
Der Industrieroboter (3) 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 unverhergesehener Kollisionen. Sie kann andererseits in verschiedener Hinsicht für den Arbeitsprozess vorteilhaft genutzt werden. Einerseits kann die federnde Ausweichfähigkeit des Industrieroboters (3) 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 (3) am Werkstück unterstützt und erleichtert werden. Auch Winkelfehler in der Relativstellung der Glieder (5, 6, 7, 8) können detektiert und bedarfsweise korrigiert werden. Eine oder mehrere nachgiebige Achsen sind außerdem zum Nachführen des Prozesswerkzeugs (4) entsprechend des Vorschubs vorteilhaft. Der Industrieroboter (3) kann außerdem bedarfsweise eine definierte Andrück- oder Zugkraft aufbringen. In den verschiedenen Fällen kann auch eine Gewichtskompensation erfolgen.
Der dargestellte Industrieroboter (3) 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 (4) hat ebenfalls ein geringes Gewicht. Der Industrieroboter (3) mit seinem Prozesswerkzeug (4) ist dadurch insgesamt leichtgewichtig und kann ohne größeren Aufwand transportiert und von einem Einsatzort zum anderen verlegt werden. Das Gewicht von Industrieroboter (3) und Prozesswerkzeug (4) kann unter 50 kg, insbesondere bei ca. 30 kg, liegen. Durch die Möglichkeit des manuellen Teachens kann der Industrieroboter (3) schnell und einfach programmiert, in Betrieb genommen und an unterschiedliche Prozesse angepasst werden.
Der Industrieroboter (3) ist programmierbar, wobei die Robotersteuerung (12) eine Recheneinheit, einen oder mehrere Speicher für Daten oder Programme sowie Eingabe- und Ausgabeeinheiten aufweist. Das Prozesswerkzeug (4) kann mit der Robotersteuerung (12) 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.
Die Sensorik (11) kann ebenfalls an die Auswerteeinheit (29) der Erfassungseinrichtung (2) angeschlossen sein. Ein wichtiges Element der Erfassungstechnik sind zeitsynchrone Auswertung und Vergleich der Signale der roboterinternen Kollisionserkennung bzw. Sensorik (11) und der Messwerte der externen Erfassungseinrichtung (2). Hierbei kann ermittelt werden, ob im Kollisionsfall die Sensorik (11) des MRK-tauglichen Industrieroboters (3) und die Erfassungseinrichtung (2) vergleichbare Kräfte messen. Auch das Zeitverhalten, z.B. hinsichtlich Ansprechschnelligkeit, Kraftverlauf etc., kann dabei überprüft werden. Eine Ausbildung der Auswerteeinheit (29) als Softwaremodul in der Robotersteuerung (12) ist hierfür besonders geeignet.
Die Erfassungseinrichtung (2) kann einerseits benutzt werden, um eine MRK-Tauglichkeit des Industrieroboters (3) und der Arbeitsstation (1) zu validieren und nachzuweisen. Hierbei kann insbesondere die Einhaltung der Kraft- und Belastungsgrenzwerte nachgewiesen werden. Die Erfassungseinrichtung (2) kann zu diesem Zweck mobil sein und an verschiedenen relevanten Stellen im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) für Messungen montiert und situationsgerecht positioniert werden. In der Auswerteeinheit (29) können die Messwerte der Erfassungseinrichtung (2) mit Ortsbezug ausgewertet und gespeichert sowie die Validierungsergebnisse protokolliert und ausgegeben werden.
Die Erfassungseinrichtung (2) kann ferner zur Kalibrierung des MRK-tauglichen Industrieroboters (3) und insbesondere seiner Sensorik (11) benutzt werden. Die Kalibrierung kann insbesondere die Zuordnung von Robotergeschwindigkeiten zu körperlichen Kraft- oder Belastungsgrenzwerten betreffen.
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.
Das Ausweich- und Führungsmittel (20) kann eine andere konstruktive Gestaltung und eine andere Kinematik haben. Die Ausweichachse (28) kann ggf. gebogen sein. Die Führung (22) kann als Schere oder in anderer Weise ausgebildet sein. Als Feder (21) kann alternativ ein kompressibler Körper eingesetzt werden.
Der Industrieroboter (3) kann ggf. eine oder mehrere positionsgesteuerte Roboterachsen ohne Kraftsteuerung bzw. -regelung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zu der bevorzugten, in ein oder mehrere Glieder (5, 6, 7, 8) integrierten Sensorik (11) kann eine extern am Roboter (3) oder am Prozesswerkzeug (4) angeordnete Senorik eingesetzt werden. Diese kann z.B. berührungslos Gegenstände im Roboterarbeitsbereich erfassende Sensoren aufweisen. Dies können beispielsweise kapazitive oder induktive Sensoren sein. Die MRK-Tauglichkeit kann durch eine andere Roboterausbildung, z.B. mit der vorgenannten externen Sensorik, einer optischen Arbeitsbereichsüberwachung oder auf andere Weise erreicht werden.
Der Industrieroboter (3) kann ferner eine andere Zahl und Ausbildung seiner Glieder und Roboterachsen haben. Er kann eine beliebige Zahl und Kombination von rotatorischen und/oder translatorischen Roboterachsen mit entsprechenden Achsantrieben besitzen.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsvorrichtung
2: Erfassungseinrichtung
3: Industrieroboter, taktiler Roboter, Leichtbauroboter
4: Prozesswerkzeug, Fügewerkzeug, Schrauber
5: Glied, Basisglied
6: Glied, Zwischenglied
7: Glied, Zwischenglied
8: Glied, Endglied, Hand
9: Abtriebselement, Abtriebsflansch, Drehflansch
10: Drehachse
11: Sensorik
12: Steuerung
13: Kollisionsstelle
14: Werker
15: Positioniereinrichtung
16: Messeinrichtung
17: Messmittel, Sensor, Kraftsensor
18: Signalverbindung
19: Kollisionselement, Kontaktplatte
20: Ausweich- und Führungsmittel
21: Feder
22: Führung, Geradführung
23: Halterung für Messmittel
24: Gestell
25: Säule
26: Basis
27: Stellmittel
28: Achse, Ausweichachse
29: Auswerteeinheit, Auswerteeinrichtung, Softwaremodul
30: Achse, Stellachse
31: Achse, Stellachse
32: Koppelelement, Endanschlag
33: Unterbau
I-VII: Achse von Roboter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007063099 A1 [0002, 0005]
DE 102007014023 A1 [0002, 0048]
DE 102007028758 B4 [0002]
DE 102010052418 A1 [0004]
DE 10162412 A1 [0005]
DE 102006055849 A1 [0005]
DE 102008041602 A1 [0005]
DE 102009047033 A1 [0005]
DE 102011109908 A1 [0005]
DE 102012015975 A1 [0005]
DE 102007 [0048]
DE 102007028 [0048]

Claims

Erfassungseinrichtung für roboterinduzierte Belastungen, die in einem Arbeitsprozess bei Berührungskontakt auf den menschlichen Körper einwirken können, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) eine Messeinrichtung (16) für roboterinduzierte Belastungen, insbesondere Kräfte, und eine Positioniereinrichtung (15) zur prozessgerechten Positionierung und Ausrichtung der Messeinrichtung (16) im Arbeitsbereich eines Industrieroboters (3) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) eine Auswerteeinheit (29) für die Signale der Messeinrichtung (16) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (29) eine Signalverbindung zu einer Robotersteuerung (12) des Industrieroboters (3) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (29) als Auswerteeinrichtung ausgebildet oder als Softwaremodul in eine externe Steuerung, insbesondere in eine Robotersteuerung (12) des Industrieroboters (3) implementiert ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (29) im Kontaktfall die von der Messeinrichtung (16) extern erfassten Kräfte mit den von einer internen Sensorik (11) des Industrieroboters (3) detektierten Kräften zeitsynchron auszuwertet und vergleicht.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine MRK-Tauglichkeit des Industrieroboters (3) und der Arbeitsstation (1) zu validieren und nachzuweisen.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (16) ein Messmittel (17), insbesondere einen Sensor, sowie ein damit beweglich und elastisch ausweichfähig verbundenes Kollisionselement (19) für den Kontakt mit einer Kollisionsstelle (13) an einem Industrieroboter (3) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kollisionselement (19) und dem Messmittel (17) ein Ausweich- und Führungsmittel (20) mit mindestens einer Ausweichachse (28) angeordnet ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausweich- und Führungsmittel (20) ein an das betroffene Körperteil angepasstes Feder- und/oder Dämpfungsverhalten aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausweich- und Führungsmittel (20) eine zwischen dem Kollisionselement (19) und dem Messmittel (17) eingespannte Feder (21) und eine Führung (22), insbesondere eine Geradführung, für das Kollisionselement (19) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (21) eine der Kompressionsrate des betroffenen Körperteils entsprechende Federsteifigkeit aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (22) eine Dämpfung aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kollisionselement (19) plattenförmig ausgebildet ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (17) als Kraftmesssensor, insbesondere 3D-Kraftmesssensor, ausgebildet ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (16) eine Signalverbindung (18) zu dem Industrieroboter (3), insbesondere zu einer Robotersteuerung (12), aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (16) einen Halter (23) für das Messmittel (17) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (23) mit dem Ausweich- und Führungsmittel (20) verbunden ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (23) mit der Positioniereinrichtung (15) verstellbar verbunden ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (15) für eine Verstellung der Messeinrichtung (16) in einer oder mehreren translatorischen und/oder rotatorischen Stellachsen (30, 31) vorgesehen und ausgebildet ist.
Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (15) ein Gestell (24) mit Stellmitteln (27) aufweist.
Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter (3), der ein Prozesswerkzeug (4) trägt und der für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) tauglich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) eine Erfassungseinrichtung (2) angeordnet ist, welche roboterinduzierte Belastungen erfasst, die im Arbeitsprozess bei Berührungskontakt mit dem Industrieroboter (3) und/oder dem Prozesswerkzeug (4) auf den menschlichen Körper einwirken können.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (3) als taktiler und mehrachsiger Industrieroboter mit mehreren Gliedern (5, 6, 7, 8) ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (3) eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I-VII) und eine zugeordnete, einwirkende Belastungen erfassende Sensorik (11) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (3) 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 Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieroboter (2) eine integrierte Sensorik (11) mit einem oder mehreren Sensoren, insbesondere Kraft- oder Momentensensoren, an einer oder mehreren Roboterachsen (I-VII) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik (11) mit der Auswerteeinheit (29) signaltechnisch verbunden ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) als Kalibriereinrichtung für den Industrieroboter (3) und die zugeordnete, insbesondere integrierte Sensorik (11) ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (2) als Validierungs- und Nachweiseinrichtung für die MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung (1) und/oder des taktilen Industrieroboters (3) ausgebildet ist.