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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endeffektor-Schutzsystem zum Umhüllen eines Endeffektors eines Manipulators, welches Endeffektor-Schutzsystem insbesondere zum Einsatz bei der Mensch-Roboter-Kollaboration geeignet ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Neben rein manuellen und rein roboterbasierten Systemen werden für verschiedene Arbeitsprozesse Manipulatoren verwendet, die eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ermöglichen. Hierbei wird ausgenutzt, dass Menschen und Roboter eng zusammenarbeiten, um die Produktivität zu erhöhen. Dabei kann sich der Mensch schnell auf unterschiedliche Aufgabenstellungen und vor allem unvorhersehbare Ereignisse einstellen, während die Vorteile des Roboters in der schnellen und präzisen Ausführung von einfachen, sich häufig wiederholenden Tätigkeiten liegen. Durch die MRK werden vorteilhaft beide Stärken kombiniert. Als Beispiele für solche MRK Systeme sind u. a. manuell geführte Manipulatoren und Assistenzroboter zu nennen. Erstere umfassen Manipulatoren, die einen (beispielsweise direkt oder über Telemanipulation) handgesteuerten Manipulatorarm aufweisen, mit dem beispielsweise Lasten versetzt werden können. Assistenzroboter sind Manipulatoren, mit denen ein Bediener ohne trennende Schutzeinrichtung zusammenarbeitet.
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Je nach Arbeitsprozess können die Manipulatoren gefährliche Endeffektoren, wie beispielsweise Werkzeuge führen, die teilweise scharfkantig oder spitz sind, oder mit hohen Geschwindigkeiten rotieren. Dies ist beispielsweise bei Schraubstationen der Fall, in denen Manipulatoren mit Schraubwerkzeugen eingesetzt werden. In solchen Umgebungen ist das Verletzungsrisiko für Menschen stark erhöht, und zwar selbst für den Fall, dass sich der den Endeffektor führende Manipulator nicht bewegt.
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Bekannte Schutzmaßnahmen beruhen auf der Verwendung von verschiedenen Sensoren. So können Sensoren verwendet werden, um beispielsweise einen Menschen in der näheren Umgebung eines Manipulators zu orten. Hierzu können beispielsweise Ultraschallsensoren eingesetzt werden. Alternativ können auch kapazitive Abstandsensoren verwendet werden, um die Präsenz eines Menschen zu detektieren. Wenn ein Mensch in der nahen Umgebung des Manipulators erkannt wurde, kann unterschiedlich hierauf reagiert werden. Beispielsweise kann die Arbeitsgeschwindigkeit des Manipulators reduziert werden, um dem Menschen die Möglichkeit zu geben, auf die Bewegungen des Manipulators zu reagieren.
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Die bekannten Schutzmaßnahmen bringen jedoch Nachteile mit sich. So ist beispielsweise das scharfkantige oder spitze Werkzeug in Systemen, die Ultraschallsensoren oder kapazitive Sensoren verwenden, frei zugänglich. Bei abgeschaltetem oder stehendem Manipulator kann sich ein Bediener folglich an dem Werkzeug verletzen. Auch die Reaktionsstrategien sind insofern nachteilig, als dass die Reduktion der Arbeitsgeschwindigkeit die Produktivität verringert. Weiterhin sind derzeit keine tatsächlich sicheren Sensoren auf dem Markt verfügbar und ebenso bieten Sensoren keine ausreichende Möglichkeit zwischen Bauteil/Umgebung und Körperteil zu unterscheiden. Ebenso ist zusätzliche Sensorik kostenintensiv.
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Weiterhin sind mechanische Schutzstrukturen bekannt, welche den Endeffektor abschirmen. Diese mechanische Schutzstrukturen sind dabei typischerweise federgelagert oder ungelagerte Hüllen und können unter Aufbringung einer ausreichend hohen Gegenkraft verschoben werden und den Endeffektor freigeben. Diese Gegenkraft kann beispielsweise auch bei einer unerwünschten Kollision des Manipulators oder manuell durch einen Menschen aufgebracht werden, so dass nur ein bedingter Schutz bereitgestellt wird.
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Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Endeffektor-Schutzsystem bereitzustellen, mit dem insbesondere Endeffektoren von Manipulatoren, wie Gelenkrobotern, gesichert werden können, um das Unfall- und Verletzungsrisiko in beispielsweise MRK-Systemen zu reduzieren. Weiter ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung Manipulatorsysteme für einen sicheren Einsatz in MRK-Systemen bereitzustellen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgaben werden durch ein Endeffektor-Schutzsystem nach Anspruch 1 und ein Manipulatorsystem nach Anspruch 11 gelöst.
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Insbesondere werden die Aufgaben durch ein Endeffektor-Schutzsystem zum zumindest teilweisen Umhüllen eines Endeffektors eines Manipulators gelöst, welches Endeffektor-Schutzsystem zumindest eine Hüllstruktur aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den Endeffektor des Manipulators zumindest teilweise zu umhüllen. Die Hüllstruktur ist dabei beweglich eingerichtet, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors einstellen zu können und das Endeffektor-Schutzsystem weist zudem zumindest ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungselement auf, welches der Hüllstruktur zugeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, einer Bewegung der Hüllstruktur geschwindigkeitsabhängig entgegenzuwirken.
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Der Begriff Endeffektor umfasst dabei alle Werkzeuge, Gegenstände oder Geräte, die von einem Roboter oder Manipulator zum Bearbeiten eines Werkstücks verwendet werden können. Durch ein Umhüllen eines Endeffektors wird generell die Zugänglichkeit oder Erreichbarkeit des Endeffektors von außen reduziert. Das Endeffektor-Schutzsystem weist hierfür eine Hüllstruktur auf, die eingerichtet ist den Endeffektor zumindest teilweise zu umhüllen, um so das Risiko von Verletzungen durch beispielsweise schnell rotierende, scharfkantige oder spitze Endeffektoren zu verringern.
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Durch die geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungselemente, kann ein Endeffektor effektiv geschützt werden. Steht beispielsweise die Hüllstruktur in der Werkzeugstoßrichtung über ein distales Ende des Endeffektors über, so kann ein effektiver mechanischer Schutz für den Endeffektor bereitgestellt werden. Kollidiert beispielsweise der Manipulator während des Verfahrens mit einem Gegenstand oder mit einer Person im Raum, so stellt die Hüllstruktur einen Schutz des Endeffektors bereit, da dieser von der Hüllstruktur zumindest teilweise umhüllt ist.
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Weiterhin verhindert das geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselement, das die Hüllstruktur entgegen der Werkzeugstoßrichtung bewegt wird, wenn die Kollisionsgeschwindigkeit über einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit liegt und der Endeffektor so unbeabsichtigt freigelegt würde. Der Fachmann versteht, dass das geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselement die Bewegung der Hüllstruktur nicht unbedingt vollständig verhindert, sondern aufgrund der Dämpfungseigenschaften auch eine minimale Bewegung zulassen kann. Vorteilhaft ist, dass das Dämpfungselement ein schnelles freilegen des Endeffektors verhindern kann und dafür sorgen kann, dass der Endeffektor bspw. nur bei einer langsamen oder kontrollierten Bewegung der Hüllstruktur freigelegt wird. Hierdurch wird das von einem gefährlichen Endeffektor ausgehende Gefährdungspotential minimiert. Wird die den Endeffektor umhüllende Hüllstruktur nämlich bestimmungsgemäß auf einen Gegenstand, wie beispielsweise ein Werkstück, aufgesetzt, und liegt die Verfahrgeschwindigkeit unter einer Grenzgeschwindigkeit, so kann die Hüllstruktur entgegen der Werkzeugstoßrichtung bewegt und der Endeffektor freigelegt werden. Stößt hingegen ein Mensch bspw. unbeabsichtigt gegen die Hüllstruktur, so verhindert das Dämpfungselement ein sofortiges freigeben des Endeffektors und Verletzungen können vermieden werden.
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Insbesondere kann die Bewegung der Hüllstruktur aufgrund der Dämpfungskonstante des Dämpfungselements im Wesentlichen mit der Verfahrgeschwindigkeit des Manipulators erfolgen. Somit wird der Manipulator nicht bzw. kaum gebremst und die Taktfrequenz des Manipulators, respektive des Endeffektors, wird nicht herabgesetzt.
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Als Dämpfungselemente können jedwede Dämpfungselemente zum Einsatz kommen, die eine geschwindigkeitsabhängige Gegenkraft erzeugen können, die einer Bewegung der Hüllstruktur entgegen der Werkzeugstoßrichtung entgegen wirkt.
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Die Bewegung der Hüllstruktur kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Beispielsweise kann die Hüllstruktur verschiebbar gelagert sein und so beispielsweise axial in/entgegen der Werkzeugstoßrichtung verschoben werden. Alternativ kann die Hüllstruktur auch in sich beweglich eingerichtet sein, und nur ein Teil der Hüllstruktur bewegt werden. Insbesondere kann die Hüllstruktur komprimierbar oder verformbar ausgeführt sein, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors einstellen zu können.
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Insbesondere kann die Hüllstruktur im Wesentlichen parallel zur Werkzeugstoßrichtung A des Endeffektors beweglich angeordnet sein. Wird die Hüllstruktur im Wesentlichen parallel zur Werkzeugstoßrichtung A des Endeffektors beweglich angeordnet, so ist ein einfacher mechanischer Aufbau möglich. Beispielsweise kann die Hüllstruktur relativ zum Endeffektor axial verschoben werden, um den Grad der Umhüllung einzustellen. Die Werkzeugstoßrichtung A ist dabei typischerweise die positive Z-Richtung des Endeffektor-Koordinatensystems. Bei einem Schraubwerkzeug ist die Werkzeugstoßrichtung beispielsweise die axiale Richtung der drehenden Spindel, welche von der Werkzeugspitze weg weist.
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Insbesondere kann die Hüllstruktur zumindest zwei Schutzelemente aufweisen, welche um den Endeffektor umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Schutzelemente bevorzugt unabhängig voneinander beweglich eingerichtet sind.
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Beispielsweise kann die Hüllstruktur zwei Schutzelemente aufweisen, die einander gegenüber liegen, d. h. umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Weist die Hüllstruktur beispielsweise drei Schutzelemente auf, so können diese umfänglich 120° zueinander beabstandet sein. Eine umfänglich gleichmäßige Verteilung ermöglicht einen gleichmäßigen Schutz des Endeffektors von allen Seiten. Sind die Schutzelemente unabhängig voneinander beweglich eingerichtet, so kann der Endeffektor auch dann geschützt werden, wenn er beispielsweise bei Werkstücken mit unebenen Oberflächen eingesetzt wird. Wird beispielsweise eine Schraube auf einer konvexen Oberfläche geschraubt, so können einige Schutzelemente in Werkzeugstoßrichtung weiter hervorstehen als andere Schutzelemente, da diese unabhängig voneinander beweglich eingerichtet sind, und so der Oberfläche des Werkstücks folgen. Dies führt zu einer Umhüllung des Endeffektors, auch wenn dieser eingesetzt ist und zu einem effektiven Schutz.
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Das Endeffektor-Schutzsystem kann weiterhin zumindest zwei geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselemente umfassen, wobei jedes geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselement vorzugsweise mit zumindest einem Schutzelement der Hüllstruktur gekoppelt ist. Ist jedem der Schutzelemente ein separates Dämpfungselement zugeordnet, so kann die voneinander unabhängige Beweglichkeit auch wie vorangehend beschrieben geschwindigkeitsabhängig erfolgen. Ebenso können beispielsweise zwei Schutzelemente einem Dämpfungselement zugeordnet sein, um einen leichten und einfachen Aufbau des Endeffektor-Schutzsystems zu ermöglichen.
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Die Hüllstruktur kann weiterhin eine Schutzhülle aufweisen, um den Endeffektor entlang der Werkzeugstoßrichtung A radial vollständig zu umschließen. Eine Schutzhülle, welche den Endeffektor entlang der Werkzeugstoßrichtung vollständig radial umschließt, stellt einen höchstmöglichen Schutz dar. Die Schutzhülle ist dabei in Werkzeugstoßrichtung offen, um den Einsatz des Endeffektors zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Schutzhülle erfolgen. Andere Formen sind ebenso möglich. Insbesondere kann die Schutzhülle zumindest teilweise aus einem rigiden und/oder flexiblen Material gefertigt sein. Beispielsweise kann die Schutzhülle eine Trägerstruktur umfassen, die mit einem flexiblen Material, wie beispielsweise einem Gewebe, bespannt ist. Ebenso kann die Schutzhülle vollständig aus einem rigiden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff oder einem Metall, oder vollständig aus einem flexiblen Material, wie beispielsweise einem Elastomer oder einem textilen Gewebe sowie aus einem Fleece, gefertigt sein. Beispielsweise kann eine flexible Schutzhülle über die Schutzelemente der Hüllstruktur gespannt werden.
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Die Hüllstruktur kann insbesondere einen expandierbaren Volumenkörper aufweisen und das Volumen des Volumenkörpers kann durch Füllung mit einem Medium, insbesondere mit Luft, vergrößerbar sein, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors einstellen zu können. Der expandierbare Volumenkörper ist vorzugsweise als Aufblaskörper ausgebildet. In einfachen Ausführungsformen entspricht die Hüllstruktur dem Volumenkörper bzw. ist mit diesem identisch. Der Volumenkörper kann expandiert werden, indem er mit einem Medium gefüllt wird, d. h. die Hüllstruktur, bzw. der Volumenkörper ist beweglich eingerichtet. Der Fachmann versteht hierbei, dass das Medium in unterschiedlichen Phasen vorliegen kann. So kann das Medium beispielsweise Luft sein, oder auch ein Fluid. Somit ist es vorteilhaft möglich, die Abmessungen des Volumenkörpers zu variieren, um den Grad der Umhüllung des Werkzeugs einzustellen. Allgemein bevorzugt wird als Medium Luft, da diese in Form von Druckluft häufig ohnehin in Produktionsprozessen oder Werkstätten zur Verfügung steht und zudem ungiftig, kostengünstig und leicht zugänglich ist.
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Insbesondere kann die Hüllstruktur des Sicherungssystems derart eingerichtet sein, dass der Grad der Umhüllung des Werkzeugs größer ist, je größer das Volumen des Volumenkörpers ist. Folglich wird durch Füllen des Volumenkörpers mit dem Medium die Umhüllung des Endeffektors durch die Hüllstruktur vergrößert, sodass sich die Erreichbarkeit des Endeffektors verringert. In diesem Zustand umschließt der Volumenkörper vorteilhaft den Endeffektor und/oder einen Endeffektorwirkbereich, selbst wenn der Manipulator im Ruhezustand ist und schützt so vor möglichen Verletzungen oder Beschädigungen durch den Endeffektor. Durch Leeren des Volumenkörpers kollabiert dieser vorzugsweise und gibt den Endeffektor frei, um diesen anwenden zu können.
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Insbesondere kann das Dämpfungselement ein Ventil umfassen, um das Medium ablassen zu können. Umfasst das Dämpfungselement ein Ventil, oder ist das Dämpfungselement als Ventil ausgebildet, kann das Dämpfungselement einer Bewegung des Volumenkörpers, respektive der Hüllstruktur geschwindigkeitsabhängig entgegen wirken. Umhüllt die Hüllstruktur den Endeffektor beispielsweise in der Art, dass die Hüllstruktur über ein distales Ende des Endeffektors in Werkzeugstoßrichtung übersteht, und kommt die Hüllstruktur mit einem Gegenstand in Kontakt, so entscheidet die Kollisionsgeschwindigkeit (bzw. die Verfahrgeschwindigkeit des Manipulators), ob und/oder wie weit die Hüllstruktur aufgrund des Kontakts entgegen der Werkzeugstoßrichtung bewegt wird.
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Liegt die Kollisionsgeschwindigkeit unter einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit, so kann das Medium aus dem Volumenkörper langsam entweichen und die Hüllstruktur wird entgegen der Werkzeugstoßrichtung bewegt, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors zu verringern. Liegt die Kollisionsgeschwindigkeit hingegen über einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit, so kann das Medium aus dem Volumenkörper nicht schnell genug entweichen und die Hüllstruktur wird nicht bzw. kaum entgegen der Werkzeugstoßrichtung bewegt. Somit kann einer Bewegung der Hüllstruktur geschwindigkeitsabhängig entgegen gewirkt und ein effektiver Schutz des Endeffektors sichergestellt werden.
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Das Endeffektor-Schutzsystem kann weiterhin einen Befestigungsring aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, das Endeffektor-Schutzsystem lösbar am Manipulator anzubringen. Der Befestigungsring kann beispielsweise zwei Halbringe aufweisen, die miteinander gekoppelt werden können, um das Endeffektor-Schutzsystem an dem Manipulator anbringen zu können. Die Anbringung erfolgt vorzugsweise durch eine Klemmverbindung oder einer Schraubverbindung. Ebenso kann der Manipulator entsprechende Vorrichtungen aufweisen, um den Befestigungsring am Manipulator direkt mittels Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Schrauben, anbringen zu können. Weitere Befestigungssysteme sind ebenso möglich. Wird das Endeffektor-Schutzsystem lösbar am Manipulator angebracht, so kann es beispielsweise an unterschiedliche Endeffektoren leicht angepasst oder nachgerüstet werden. Natürlich ist es auch möglich, das Endeffektor-Schutzsystem über genannten Befestigungsring am Endeffektor oder Werkzeug selbst anzubringen.
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Insbesondere kann das Dämpfungselement ein hydraulischer oder pneumatischer Stoßdämpfer sein. Hydraulische oder pneumatische Stoßdämpfer sind insbesondere vorteilhaft, da diese kostengünstig zu beziehen sind und effizient arbeiten. Insbesondere stehen pneumatische und/oder hydraulische Systeme oftmals an Manipulatoren oder im Fertigungsumfeld bereit, sodass die Dämpfungselemente leicht mit diesen Systemen gekoppelt werden können, falls dies erforderlich ist. Ebenso können die hydraulischen und/oder pneumatischen Stoßdämpfer autarke Stoßdämpfer sein, die nicht an ein pneumatisches und/oder hydraulisches System angeschlossen werden müssen.
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Überdies kann das Endeffektor-Schutzsystem weiterhin ein Federelement aufweisen, welches die Hüllstruktur mit einer bestimmten Kraft in eine Stellung drängt, welche einem maximalen Grad der Umhüllung des Endeffektors entspricht. Ein Federelement, welches die Hüllstruktur mit einer bestimmten Kraft in die Stellung drängt, in welcher ein maximaler Grad der Umhüllung des Endeffektors erreicht wird, verhindert, dass der Endeffektor aufgrund schwacher Kräfte freigelegt oder der Grad der Umhüllung reduziert wird. Somit kann der Endeffektor sicher geschützt werden.
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Die Aufgaben werden weiterhin gelöst, durch ein Manipulatorsystem umfassend einen Manipulator, einen Endeffektor, welcher an dem Manipulator angebracht ist und vorzugsweise ein Werkzeug mit drehender Spindel umfasst, und ein Endeffektor-Schutzsystem, welches den Endeffektor des Manipulators zumindest teilweise umhüllt. Das Manipulatorsystem kann aufgrund des Endeffektor-Schutzsystems insbesondere in MRK-Umgebungen eingesetzt werden, sodass die Zusammenarbeit zwischen Manipulator und Mensch ermöglicht wird, ohne den Menschen einem hohen Risiko auszusetzen. Weiterhin ermöglicht das Endeffektor-Schutzsystem den Manipulator einzusetzen, ohne die Manipulatorgeschwindigkeit übermäßig herabsetzen zu müssen, da die Endeffektoren sicher geschützt sind.
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Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angehängten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Manipulatorsystems;
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2 eine schematische Darstellung eines Endeffektor-Schutzsystems;
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3A eine schematische Darstellung eines weiteren Endeffektor-Schutzsystems;
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3B eine Schutzhülle für die Verwendung in einem Endeffektor-Schutzsystem; und
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4 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Endeffektor-Schutzsystems.
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Insbesondere zeigt 1 ein Manipulatorsystem 1, welches einen Manipulator 10 umfasst, der von einer Steuereinrichtung 20 gesteuert wird. Der Manipulator umfasst einen Endeffektor 12, welcher beispielsweise ein Schraubwerkzeug ist. An dem Manipulator 10 ist ein Endeffektor-Schutzsystem 300 angebracht. Das Endeffektor-Schutzsystem 300 umfasst eine Hüllstruktur, welche mit Bezugnahme auf die 2, 3A und 3B noch näher erläutert wird. Die Hüllstruktur umhüllt den Endeffektor 12 zumindest teilweise. Somit ist der Endeffektor 12 von der Umgebung geschützt und der Manipulator 10 kann in MRK-Systemen eingesetzt werden, sodass ein Mensch 50 in unmittelbarer Nähe des Manipulators 10 ohne weitere Schutzvorrichtungen, wie beispielsweise Schutzzäune, mit dem Manipulator 10 zusammenarbeiten kann. Der Manipulator 10 sowie der Endeffektor 12 können dazu eingerichtet sein, Werkstücke 32 zu manipulieren, wie beispielsweise zu verschrauben. Die Werkstücke 32 können auf einer Werkstückbereitstellungseinrichtung 30, wie beispielsweise einem Förderband, bereitgestellt sein.
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2 zeigt ein ähnliches Endeffektor-Schutzsystem 200, welches an dem Manipulator 10 angebracht sein kann. Insbesondere ist das Endeffektor-Schutzsystem 200 mittels eines Befestigungsrings 210 an dem Manipulator 10 angebracht. Der Manipulator 10 umfasst einen Endeffektor 12, welcher beispielsweise ein Schraubwerkzeug ist. Der Endeffektor 12 umfasst eine frei drehende Spindel 14, welche in Werkzeugstoßrichtung A ein distales Ende 16 aufweist.
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Eine Hüllstruktur 230 steht in Werkzeugstoßrichtung A um einen Betrag z über das distale Ende 16 des Endeffektors 12 über. Vorzugsweise ist die Hüllstruktur 230 als zylindrische Hülle ausgebildet, um den Endeffektor radial zu schützen. Die Hüllstruktur 230 ist beweglich eingerichtet um den Grad der Umhüllung des Endeffektors einstellen zu können. Insbesondere ist die Hüllstruktur 230 axial verschiebbar eingerichtet.
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Dazu ist die Hüllstruktur 230 in dem Dämpfungselement 220 geführt. Das Dämpfungselement 220 kann beispielsweise ein pneumatischer oder hydraulischer Stoßdämpfer sein. Bei einem Stoß bzw. einer Kollision der Hüllstruktur 230 in Werkzeugstoßrichtung A mit einem Gegenstand oder einer Person, wird ein Fluid oder ein Gas, wie beispielsweise Druckluft, welche sich im Dämpfungselement 220 befindet, über die Öffnung 225 nach außen in ein Reservoir (nicht gezeigt) geleitet. Aufgrund der Eigenschaften des Fluids und/oder des Gases, ist der Grad der Bewegung der Hüllstruktur 230 von der Kollisionsgeschwindigkeit abhängig.
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Insbesondere ist die Kraft, welche der Bewegung der Hüllstruktur 230 entgegen der Werkzeugstoßrichtung A entgegen wirkt, von der Kollisionsgeschwindigkeit abhängig. Weiterhin ist die Hüllstruktur 230 über einen Dichtungsring 235 mit dem Dämpfungselement 220 gekoppelt. Der Dichtungsring 235 dient im Dämpfungselement 220 als Kolben.
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Weiterhin umfasst das Endeffektor-Schutzsystem 200 ein Federelement 240, welches die Hüllstruktur 230 mit einer bestimmten Kraft, der Federkraft, in Richtung der Werkzeugstoßrichtung A drängt.
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3A zeigt ein weiteres Endeffektor-Schutzsystem 300, welches an einem Manipulator 10 angebracht werden kann. Das Endeffektor-Schutzsystem 300 ist mittels eines zweigeteilten Befestigungsrings 310 am Manipulator 10 angebracht. Der Manipulator 10 umfasst einen Endeffektor 12, der beispielsweise ein Schraubwerkzeug ist, welches eine drehbare Spindel 14 mit einem distales Ende 16 aufweist. Weiterhin umfasst das Endeffektor-Schutzsystem 300 zwei Schutzelemente 332, 334, welche den Endeffektor 12 des Manipulators 10 zumindest teilweise umhüllen und umfänglich gleichmäßig verteilt um den Endeffektor 12 angeordnet sind. Die Schutzelemente 332, 334 sind jeweils mit geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungselementen 323, 324 gekoppelt.
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Wie in 3B zu sehen, kann das Endeffektor-Schutzsystem 300 eine Schutzhülle 350 aufweisen, welche vorzugsweise mit den Schutzelementen 332, 334 koppelbar ist. Dazu umfasst die Schutzhülle 350 Aufnahmen 336, welche mit den Schutzelementen 332, 334 koppeln können. Die Aufnahmen 336 können, wie gezeigt, außen an der Schutzhülle angebracht sein. Ebenso können die Aufnahmen innen in der Schutzhülle angebracht sein. Weiterhin können die Aufnahmen integral mit der Schutzhülle, ausgeformt sein, beispielsweise als Bohrung in einer Wand der Schutzhülle. Die Schutzhülle kann aus einem rigiden Material und/oder aus einem flexiblen Material gefertigt sein.
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In 4 ist die schematische Funktionsweise eines Endeffektor-Schutzsystems 200, 300 in einem Flussdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 410 wird der Manipulator mit einer Verfahrgeschwindigkeit verfahren, bis dieser in einem Schritt 420 mit einem Gegenstand und/oder Menschen kollidiert. In diesem Schritt 420 wird mittels einer Steuereinrichtung 20 bestimmt, ob die Kollision im Raum stattgefunden hat, oder an einer vorherbestimmten Bearbeitungsposition.
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Wird eine Kollision an einer vorherbestimmten Bearbeitungsposition erfasst, (Schritt 421) und ist die Kollisionsgeschwindigkeit kleiner als eine Grenzgeschwindigkeit des einstellbaren Dämpfersystems (Schritt 423) kann die Hüllstruktur in Schritt 425 entgegen der Werkzeugstoßrichtung A bewegt werden, sodass der Grad der Umhüllung reduziert wird und der Endeffektor teilweise freiliegt. Anschließend kann der Endeffektor in Schritt 427 eingesetzt werden, sodass beispielsweise eine Verschraubung möglich ist. In Schritt 429 wird der Manipulator weiter bewegt und die Hüllstruktur kehrt in die ursprüngliche Position zurück, sodass in Schritt 432 der Endeffektor geschützt ist und der Manipulator mit voller Geschwindigkeit verfahren werden kann.
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Wird hingegen eine Kollision im Raum detektiert (Schritt 422), und ist die Verfahrgeschwindigkeit/die Kollisionsgeschwindigkeit des Manipulators größer als die Grenzgeschwindigkeit des geschwindigkeitsabhängigen Dämpfungselements (Schritt 424), so bremst das Dämpfungselement die Kollision in Schritt 426. Insbesondere wird eine hohe Dämpfungskraft auf die Hüllstruktur übertragen. Die Hüllstruktur wird somit nur minimal entgegen der Werkzeugstoßrichtung A bewegt. In Schritt 428 kann mittels der Steuereinrichtung 20 des Manipulatorsystems 1 eine Kollision erkannt werden und in Schritt 430 eine geeignete Weiterfahrt des Manipulators erlaubt werden. In Schritt 432 kann der normale Betrieb des Manipulators wieder aufgenommen werden.
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Wie sich aus dem vorangegangenen Beispiel ergibt, kann der Endeffektor in Abhängigkeit der Kollisionsgeschwindigkeit eingesetzt werden oder geschützt sein. Somit kann ein effektiver Schutz von sich in der Umgebung befindlichen Menschen bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulatorsystem
- 10
- Manipulator
- 12
- Endeffektor
- 14
- Spindel
- 16
- distales Ende
- 20
- Steuerungseinrichtung
- 30
- Werkstückbereitstellungseinrichtung
- 32
- Werkstück
- 50
- Mensch
- 200, 300
- Endeffektor-Schutzsystem
- 210, 310
- Befestigungsring
- 220, 322, 324
- Dämpfungselement
- 225
- Öffnung
- 230, 330
- Hüllstruktur
- 235
- Dichtelement
- 240
- Federelement
- 332, 334
- Schutzelement
- 336
- Aufnahme
- 350
- Schutzhülle
- 410–432
- Schritte
