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Die Erfindung betrifft eine passive Vorrichtung zum Schutze von Personen und ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten wie Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder Serviceroboter und ihrer Manipulatoren vor Kollisionen.
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Der Schutz vor Kollisionen ist z. B. in der Medizintechnik und beim Einsatz von Industrierobotern von großer Bedeutung. So muss z. B. beim Einsatz von medizinischen Geräten mit motorgetrieben bewegbaren Bauteilen sichergestellt werden, dass die Bewegung eines solchen Bauteils bei Kontakt bzw. Kollision mit einer Person (z. B. einem mittels des medizinischen Geräts zu untersuchenden Patienten) weder zu Verletzungen der Person noch zu Schäden an dem Bauteil führen. Als ein anderes Beispiel muss beim Einsatz von Industrierobotern mit bewegbaren Bauteilen (z. B. einem Roboterarm) sichergestellt werden, dass bei einem planmäßigen oder auch außerplanmäßigen Kontakt mit einem Gegenstand oder einer Person das Schadens- bzw. Verletzungsrisiko minimiert wird.
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Es ist bekannt, die Manipulatoreinrichtung eines Roboters mit starren oder weichen Schutzhüllen zu umgeben. Durch die Schutzhüllen soll der mögliche Aufprall gedämpft werden. Zur Erzielung einer hohen Dämpfungswirkung ist hierbei eine relativ wuchtige Schutzhülle erforderlich. Aufgrund der zusätzlichen Masse durch die Schutzhüllen ist die Bewegungsgeschwindigkeit der Manipulatoren beschränkt, da andernfalls der Impuls der Manipulatoreinrichtung zu groß wäre und Verletzungen hervorgerufen würden.
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Aus der
EP 1 810 795 A1 ist eine Sicherheitsvorrichtung bekannt, bei der eine elastische, abgedichtete, gasgefüllte Schutzhülle die Manipulatoren eines Roboters umgeben, wobei zusätzlich ein oder mehrere Drucksensoren vorgesehen sein können, die im Zusammenwirken mit einem Referenzsensor für die Auslösung von Schutzschaltungen verwendet werden können. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass bei Auftreten eines kleinen Loches in der Schutzhülle der Schutz aufgrund des instantanen Entweichen des Gases augenblicklich ausgesetzt wird.
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Zum aktiven Erfassen einer Kollision eines flächigen Bauteils können drucksensitive Schaltmatten eingesetzt werden. Die
DE 10 2012 100 404 A1 beschreibt die Verwendung einer elektrischen Schaltmatte als drucksensitive Schicht in einer Vorrichtung zur Erkennung einer Kollision, wobei die Schaltmatte z. B. an der Außenseite eines Verkleidungsteils eines medizinischen Geräts angeordnet ist. Derartige Schaltmatten erfordern jedoch eine aufwendige Elektronik mit entsprechender Stromversorgung.
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Eine insbesondere um Antriebseinheiten eines motorgetrieben bewegbaren Manipulators gelegte Schutzhülle verhindert außerdem die Dissipation von Verlustwärme, was zu einer Überhitzung der Antriebseinheiten führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzhülle für eine Manipulatoreinrichtung bereitzustellen, die bei guter Robustheit ein geringes Gewicht besitzt sowie unkompliziert aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar ist, wobei zudem bei einer beliebigen Form der Manipulatoreinrichtung ein effektiver passiver Schutz vor Kollisionen und vor Überhitzung der in der Manipulatoreinrichtung verbauten Antriebseinheiten gewährleistbar ist.
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Hierin kann die Manipulatoreinrichtung ein Maschinenteil, etwa ein motorgetrieben bewegbares Maschinenteil, oder ein Gehäuseformteil sein. Das Gehäuseformteil kann z. B. aus einem (im Wesentlichen) starren, unelastischen und/oder nicht komprimierbaren (bzw. inkompressiblen) Material bestehen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Schutzhülle für eine Manipulatoreinrichtung zum Schutz bei einer Kollision der Manipulatoreinrichtung mit z. B. einer Person oder einer weiteren Manipulatoreinrichtung bereitgestellt, die die o. g. Aufgaben erfüllt. Die Schutzhülle weist wenigstens einen, weitestgehend flächenhaft ausgebildeten Schutzhüllen-Grundkörper auf. Der Schutzhüllen-Grundkörper, im Folgenden kurz als Grundkörper bezeichnet, besitzt z. B. die Form einer Platte oder einer Schale. Aufgrund dieser geometrischen Form weist der Grundkörper zwei großflächige Oberflächenbereiche auf, die im Folgenden als Außenfläche und Innenfläche bezeichnet werden, wobei die Innenfläche in Richtung hin zu der Manipulatoreinrichtung und die Außenfläche in Richtung weg von der Manipulatoreinrichtung weist.
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Im Folgenden wird der Einfachheit halber meist im Singular von „dem Grundkörper“ gesprochen, womit jedoch die jeweils vorliegenden Grundkörper bezeichnet sind und somit auch der Fall von mehreren Grundkörpern der Schutzhülle umfasst sein soll, soweit sich nicht aus dem Kontext etwas anderes ergibt.
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Erfindungsgemäß ist der Grundkörper aus einem elastisch komprimierbaren Material, wobei seine Elastizität an der Innenfläche höher als an der Außenfläche ist, d. h., der Grundkörper ist im Bereich der Innenfläche härter als im Bereich der Außenfläche. Diese Änderung der Elastizität bzw. Härte kann sowohl sprunghaft, d. h. an einer oder mehreren Grenzflächen innerhalb des Grundkörpers, als auch kontinuierlich, d. h. stetig, von der Innen- zu der Außenfläche erfolgen. Insbesondere kann der Grundkörper auch mehrschichtig aufgebaut sein, wobei jede der Schichten eine gegenüber den benachbarten Schichten unterschiedliche Elastizität aufweist. Hierbei ist jedoch immer die Schicht an der Innenfläche härter als die Schicht an der Außenfläche. Eine zwischen diesen beiden Schichten angeordnete Zwischen-Schicht kann auch eine höhere Elastizität aufweisen, d. h. weicher sein, als die Schicht an der Außenfläche.
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Des Weiteren weist die Schutzhülle eine Außenhülle auf, die derart ausgebildet und angeordnet ist, dass von ihr der Grundkörper – zumindest auf seiner Außenfläche – überdeckt ist. Vorzugsweise ist die Außenhülle der Außenkontur des Grundkörpers formangepasst und, z. B. denselben kontaktierend, auf dem Grundkörper angeordnet, wobei sie insbesondere stoffschlüssig mit der Außenfläche des Grundkörpers verbunden sein kann. Die Außenhülle kann z. B. mittels Klebens an der Außenfläche des Grundkörpers befestigt sein.
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Um die Schutzhülle, d. h. den einen oder die mehreren Grundkörper, auf der Manipulatoreinrichtung lösbar befestigen bzw. fixieren zu können, weist die Schutzhülle lösbare Befestigungsmittel auf, sodass ein weitestgehend der Form des Oberflächenbereichs der Manipulatoreinrichtung, an der ein Kollisionsschutz vorgesehen ist (im Folgenden als „Kollisionsschutzfläche“ bezeichnet), formangepasster Hohlkörper ausbildbar ist, der diese Kollisionsschutzfläche vollständig abdeckt bzw. umschließt.
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Im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Schutzhülle wird diese derart über der Manipulatoreinrichtung angebracht, dass die Innenfläche des Grundkörpers die Kollisionsschutzfläche kontaktiert, wobei die Schutzhülle derart angeordnet ist, dass von ihr die Kollisionsschutzfläche flächig überspannt ist. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass von der Schutzhülle eine Fläche der Manipulatoreinrichtung (z. B. die gesamte Oberfläche der Manipulatoreinrichtung) einschließlich Rundungen, Schrägen, Ecken und/oder Kanten derselben flächig überspannt ist.
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Indem die mit einer Schutzhülle zu versehende Kollisionsschutzfläche der Manipulatoreinrichtung formangepasst überspannt ist, kann bei beliebiger Form der Kollisionsschutzfläche eine formangepasste, flächige Kollisionsschutzvorrichtung realisiert werden, sodass bei minimaler Gewichtszunahme ein Schutz bei Kollisionen gewährleistbar ist.
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Bei einer Kollision der Manipulatoreinrichtung, z. B. mit einer Person oder einem Gegenstand als Kollisionspartner, tritt die Außenhülle mit dem jeweiligen Kollisionspartner in Wechselwirkung und überträgt den Kollisionsdruck bzw. die Kollisionskraft (direkt) auf den elastisch verformbaren Grundkörper. Dieser gibt elastisch nach, wobei aufgrund der höheren Elastizität der äußeren Schicht des Grundkörpers dem Kollisionspartner zunächst nur eine geringe Gegenkraft entgegengebracht wird. Erst wenn diese geringe Gegenkraft nicht ausreicht, den Kollisionspartner zu stoppen, wird der Grundkörper tiefer eingedrückt bzw. stärker zusammengepresst, wobei aufgrund der geringeren Elastizität des Grundkörpers im Bereich der Innenfläche die auf den Kollisionspartner einwirkende Gegenkraft zunimmt. Somit ist sichergestellt, dass der Kollisionspartner sanft, aber dennoch zuverlässig abgebremst wird. Die Außenhülle bewirkt dabei eine Vergleichmäßigung bzw. flächige Verteilung des Kollisionsdrucks.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht der Grundkörper aus Schaummaterial, z. B. Polyurethan-Weichschaum, dessen Porengröße bevorzugt wenigstens 1 mm im Durchmesser beträgt, sodass das Gewicht des Grundkörpers aufgrund des vergleichsweise großen Porendurchmessers gering bleibt.
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Gemäß dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die mittlere Porengröße von der Innenfläche des Grundkörpers in Richtung zu der Außenfläche zunimmt, wobei diese Zunahme der mittleren Porengröße insbesondere weitestgehend stetig verlaufen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schutzhülle in vorgegebenen Bereichen, z. B. in der Nähe von Motoren zum Antrieb der Manipulatoreinrichtung, Luftkanäle auf. Diese Luftkanäle werden gebildet von sich durch die Außenhülle und den Grundkörper erstreckenden Lufteintritts- bzw. Luftaustrittskanälen, die in an der Innenfläche des Grundkörpers angeordnete nutförmige Ausnehmungen bzw. Aussparungen desselben, d. h. in dem Grundkörper an seiner Innenfläche ausgebildete nutförmige Freiräume, münden. Der Begriff „nutförmig“ kennzeichnet hier in die Innenfläche des Grundkörpers eingelassene Formen, deren Längsabmessung auch wesentlich größer als deren Querabmessung sein können, wobei die Querschnittsfläche einer nutförmige Ausnehmung eine beliebige Form aufweisen kann.
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Zum Beispiel kann vorgesehen sein, die nutförmigen Ausnehmungen derart (mit einer entsprechenden Tiefe) auszubilden, dass die Tiefe (in Richtung der Kollisionsschutzflächen-Normale) der Ausnehmungen kleiner als deren Querabmessung gewählt sein kann.
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Die nutförmigen Ausnehmungen können einen zusammenhängenden Kanal oder auch mehrere, voneinander beabstandete Kanäle bilden, wobei die nutförmigen Ausnehmungen vorzugsweise jeweils mit mindestens einem Lufteintritts- bzw. Luftaustrittskanal verbunden sind.
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Zum Beispiel kann vorgesehen sein, die nutförmigen Ausnehmungen mäanderförmig und/oder rasterartig über die Innenfläche verlaufend anzuordnen. Es kann auch vorgesehen sein, auf der Innenfläche mehrere separate, parallel oder konzentrisch (z. B. kreis- oder ellipsenförmig) zueinander angeordnete nutförmige Ausnehmungen auszubilden.
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In einer bevorzugten Variante weisen die Lufteintritts- bzw. Luftaustrittskanäle eine schlitzförmige geometrische Form auf, d. h., ihre Querschnittsfläche ist länglich, z. B. rechteckig oder oval.
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Aufgrund der im Vergleich zur Außenfläche größeren Härte der Innenfläche des Grundkörpers kann sichergestellt werden, dass bei Vorliegen einer Kollision (d. h. bei komprimiertem Grundkörper) kein Druck auf die nutförmigen Ausnehmungen ausgeübt wird, sodass die Luftkanäle zu jeder Zeit offen bleiben, d. h. der Wärmeabtransport von der Manipulatoroberfläche stets sichergestellt ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht der Grundkörper aus einem Abstandstextil – auch als Abstandsgewirk bekannt. Die beiden durch abstandshaltende Verbindungsfäden, sogenannte Polfäden, auf Distanz gehaltenen Warenflächen bzw. textilen Deckflächen des Abstandstextils weisen erfindungsgemäß eine unterschiedliche Härte auf. Die Warenfläche an der Innenfläche besteht vorzugsweise aus einem aus dem Stand der Technik bekannten, nachbehandeltem Polyester. Die Warenfläche an der Außenfläche hingegen ist vorzugsweise aus einem unbehandelten Polyester gewirkt, der hierdurch vergleichsweise weich bleibt. Die bevorzugte Dicke des Grundkörpers bei Verwendung eines Abstandstextils beträgt etwa 1 cm.
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Es ist bekannt, dass ein Abstandstextil durch sehr gute Luftdurchlässigkeit gekennzeichnet ist, sodass gemäß dieser Ausführungsform für eine verbesserte Luftzirkulation die Außenhülle als Luftkanäle wirkende Durchbrüche aufweisen kann. Somit kann die von z. B. einem Motor der Manipulatoreinrichtung innerhalb des Abstandstextils erhitzte Luft durch die Außenhülle entweichen und die Wärme abtransportieren. Weitere Durchbrüche an anderer Position der Außenhülle können als Luftzufuhrkanäle fungieren, sodass kühle Luft (von außen) in das Abstandstextil bzw. dessen Freiräume einfließen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht die Außenhülle aus einem elastisch verformbaren Material, z. B. aus einem (im Wesentlichen) inkompressiblen elastisch verformbaren Material. Zum Beispiel kann die Außenhülle aus einem elastisch verformbaren Material wie Echt- oder Kunstleder bestehen.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Außenhülle aus einem elastisch komprimierbaren Material, z. B. aus einem Schaummaterial oder einem gummielastischen Material, auszubilden. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Außenhülle bei einer Kollision als dämpfendes, kraftaufnehmendes Element zum Schutz des Kollisionspartners vor Beschädigung wirken.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Außenhülle eine geringere Elastizität auf als der Grundkörper, verformt sich also bei gleicher Druckeinwirkung weniger als der Grundkörper. Zum Beispiel kann das Material der Außenhülle einen größeren Kompressionsmodul aufweisen als das Material des Grundkörpers.
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Bevorzugt ist die Außenhülle ein mit 2K-PU-Lack beschichteter, elastisch verformbarer Polyurethan-Weichschaum, ein Kunstleder oder ein Textilstoff, wobei letztere zusätzlich noch lackiert oder beschichtet sein können.
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Es kann auch vorgesehen sein, die Schutzhülle entsprechend einer geometrischen Außenkontur der Manipulatoreinrichtung auszuformen, sodass die Schutzhülle bzw. deren Grundkörper formschlüssig auf die Manipulatoreinrichtung bzw. deren Kollisionsschutzfläche aufbringbar ist, ohne sie übermäßig verbiegen zu müssen.
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Zur besseren Haftung bzw. Fixierung der Schutzhülle auf der Manipulatoreinrichtung kann an der Innenfläche des Grundkörpers ein rutschfester Belag angeordnet sein, wobei dieser rutschfeste Belag zur besseren Belüftung auch nur an eng begrenzten, vorgegebenen Positionen, z. B. punktweise, aufgebracht sein kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die lösbaren Befestigungsmittel auf oder an der Außenhülle angebracht. Die Befestigungsmittel sind z. B. als Klettverschlüsse oder als allgemein bekannte Schnappverschlüsse ausgebildet, mittels derer ein Grundkörper z. B. in einer Hohlzylinderform fixierbar oder mehrere Grundkörper z. B. zu einem Hohlzylinder zusammenfügbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; hierbei zeigen schematisch:
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1 eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Schutzhülle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Draufsicht einer Schutzhülle gemäß einer Ausführungsform;
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3 eine Querschnittsdarstellung einer Schutzhülle gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Gemäß der 1 ist ein zylinderförmiger Arm der Manipulatoreinrichtung 1, bzw. dessen Kollisionsschutzfläche, durch eine Schutzhülle gemäß einer Ausführungsform geschützt. Die Schutzhülle weist den Grundkörper 2 aus einem elastisch komprimierbaren Schaummaterial auf, der in die innere, d. h. erste, Schicht 2.1, die an der Innenfläche 8 des Grundkörpers 2 angeordnet ist, und die äußere, d. h. zweite, Schicht 2.2, die an der Außenfläche 7 des Grundkörpers 2 angeordnet ist, zweigeteilt ist. Die Manipulatoreinrichtung 1 ist als ein einen Gehäuseinnenraum umhausendes Gehäuseteil eines motorgetrieben bewegbaren Maschinenteils (nicht dargestellt) symbolisiert. Der Grundkörper 2 ist mit seiner Innenfläche 8 auf der zu schützenden Fläche bzw. Kollisionsschutzfläche der Manipulatoreinrichtung 1 angeordnet.
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Zudem weist die Schutzhülle die Außenhülle 3 auf, an welcher das Befestigungsmittel 9 angebracht ist. Mittels dieses Befestigungsmittels 9 können zwei Grundkörper 2 mit Außenhülle 3 zu einer den Arm der Manipulatoreinrichtung 1 umschließenden Schutzhülle verbunden werden.
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Die Außenhülle 3 ist als elastisch komprimierbares Weichintegralschaumteil ausgebildet, wobei das Schaummaterial der Außenhülle 3 eine geringere Elastizität aufweist als das Schaummaterial der zweiten Schicht 2.2. Die Außenhülle 3 umgreift bzw. umgibt den Grundkörper 2 und ist mit diesem stoffschlüssig verbunden.
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Auf der Innenseite 8 des Grundkörpers 2 sind die durch die Abstandsrippen 4 voneinander getrennten nutförmigen Ausnehmungen 5 eingebracht, die als Luftspalte zur verbesserten Belüftung und Kühlung der Manipulatoreinrichtung 1 dienen.
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Wie in 2 dargestellt, weist die Außenhülle 3 die Luftschlitze 6 auf, die mit den nutförmigen Ausnehmungen 5 verbunden sind (nicht dargestellt).
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3 veranschaulicht eine Schutzhülle, deren Grundkörper 2 aus einem Abstandstextil ist. Hierbei ist die an der Innenfläche 8 angeordnete Warenfläche 2.1 des Abstandstextils aus einem gehärteten Polyester, während die an der Außenfläche 7 angeordnete Warenfläche 2.2 aus einem unbehandelten Polyester besteht.
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Die Schutzhülle weist ferner eine Außenhülle 3, die der Außenkontur des Grundkörpers 2 formangepasst ist und im Kontakt mit der zweiten Schicht 2.2 auf demselben angeordnet ist, sowie das Befestigungsmittel 9, das fest mit der Außenhülle 3 verbunden ist, auf.
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Die Außenhülle 3 ist als elastisch verformbares Kunstlederteil ausgebildet, wobei das Kunstledermaterial der Außenhülle 3 eine geringere Elastizität aufweist als die Warenfläche 2.2 des Abstandstextils.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Manipulatoreinrichtung / Bauteil
- 2
- Grundkörper
- 2.1
- erste Schicht
- 2.2
- zweite Schicht
- 3
- Außenhülle
- 4
- Abstandsrippe
- 5
- nutförmige Ausnehmung / Luftspalt
- 6
- Luftschlitz
- 7
- Außenfläche / Außenseite des Grundkörpers
- 8
- Innenfläche / Innenseite des Grundkörpers
- 9
- Befestigungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1810795 A1 [0004]
- DE 102012100404 A1 [0005]
