DE3623350A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen handhaben von gegenstaenden im dreidimensionalen raum - Google Patents

Description

Auf dem weiten Feld der Materialflußtechnik gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, Gegenstände zu handhaben, sei es diese lediglich in ihrer Position, Ausrichtung oder Be­ wegung zu verändern oder auch automatisch zu bearbeiten. Bei den Förderzeugen seien hier lediglich als Beispiel Flurförderzeuge, Stetigförderer, Regalförderer oder auch einfache Handhabungsgeräte genannt, wobei diese durch ihre konstruktive Gestaltung zusätzliche Aufgaben übernehmen können, etwa bei Einlegegeräten von Werkzeugmaschinen.

Industrieroboter sind dabei diejenigen Vorrichtungen mit den größten Einsatzmöglichkeiten, da mehrere Bewegungsach­ sen frei programmierbar und damit der jeweiligen Situation anpaßbar sind. So werden derartige Industrieroboter beim Be- und Entladen von Maschinen, beim Palettieren, beim Schweißen oder bei spanabhebender Bearbeitung, beim Polie­ ren oder Lackieren oder auch in der Montage eingesetzt. Nachteilig an den Industrierobotern ist insbesondere ihr hoher Preis, der bei Stillstand dieser Apparate nicht mehr gerechtfertigt ist.

Um daher ein derartig teures Gerät besser auszunutzen, wird es häufig stationär verwendet und bedient mehrere Ar­ beitsplätze. Eine andere Optimierungsmöglichkeit besteht da­ rin, in Art eines Karussells einem stationären Roboter meh­ rere Arbeitsplätze nacheinander zuzuführen, an denen er dann die unterschiedlichen Arbeiten ausführen kann.

Aufgabe der Erfindungist die Schaffung einer Lösung, mit der eine noch weitergehende Optimierung des Systems Robo­ ter/Arbeitsplatz erreichbar ist, insbesondere mit dem der Transportaufwand und damit auch die Investitionskosten er­ heblich geringer werden.

Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die­ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Handhabung von einem auf einem dreidimensional verlegten Schienensystem bewegbaren, mit wenigstens einem zusätzli­ chen Arbeitsfreiheitsgrad versehenen Handhabungsgerät durchgeführt wird.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß der­ artige Handhabungsgeräte bzw. Roboter meist sehr viel klei­ ner und leichter sind als beispielsweise auf einem Karus­ sel installierte Arbeitsplätze. Damit lassen sich Roboter in der Regel einfacher transportieren. Gleichzeitig können die vom Roboter anzufahrenden Arbeitsplätze z. B. nach Bau­ gruppen geordnet sein und dgl. mehr.

Grundsätzlich kann die Verfahrbarkeit durch Fremdmaschinen erfolgen. Die Übernahme auf ein dreidimensional verlegtes Schienensystem hat aber ganz erhebliche zusätzliche Vortei­ le. Industrieroboter haben meist drei Bewegungsachsen zur Positionierung sowie bis zu drei weitere Handachsen zur Orientierung des zu handhabenden Objektes. Durch die Erfin­ dung wird aber erreicht, daß durch die im Raum verlegte Schiene der Roboter am jeweiligen Arbeitsplatz so positio­ niert werden kann, daß er ggf. nur eine Bewegungsachse be­ nötigt, d. h. zwei weitere Achsen entfallen vollständig, wo­ mit sich eine konstruktiv sehr einfache Lösung ergibt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht ausschließlich auf diese Gestaltung beschränkt. So kann in Ausgestaltung vorgesehen sein, daß das dreidimensional verfahrbare Handhabungsgerät zwei eigene Arbeitsfreiheitsgrade aufweist.

Mit einem dreidimensionalen Schienensystem, welches insbe­ sondere auch die Torsion der Vorrichtung mitumfaßt, kann praktisch jeder Punkt im Raum in jeder gewünschten Lage des Roboters angefahren werden. Durch Auf- und Abfahren, Links- und Rechstkurven oder Torsionsstrecken kann der Ro­ boter seitlich verschwenkt, nach unten weisend oder in Mischformen positioniert werden und an dem jeweiligen Ar­ beitsplatz in der dort bevorzugten Arbeitsstellung seine Funktionen ausüben.

Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum Einsatz in einem entsprechenden Verfahren zur Lösung der eingangs for­ mulierten Aufgabe vor. Eine derartige Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie aus einem schienengebundenen Fahrzeug mit einem eigenen Antrieb gebildet ist mit einer Aufnahme für eine zu fördernde Last und/oder ein Handha­ bungsgerät bzw. einen Roboter.

Als besonders zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die last-/Roboteraufnahme und die Antriebseinheit als getrenn­ te Module ausgebildet sind, die miteinander in einer die Relativbewegung zueinander ermöglichenden Weise verbunden sind. Diese Modulbauweise hat neben den bei derartiger Bau­ weise ohnehin vorhandenen Vorteil in der Flexibilität und Anpassungsfähigkeit in unterschiedliche Einsatzgebiete und Einsatzzwecke den weiteren Vorteil, daß der Übergangsbe­ reich Antrieb/Lastaufnahme beweglich ausgebildet sein kann, was im Falle beispeilsweise einer Einschienenführung des Fahrzeuges sehr enge Krümmungsradien möglich macht.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Vorrich­ tung mit Radsätzen ausgerüstet ist, die die Bewegung über eine dreidimensional im Raum verlegte Schiene ermöglichen.

Wesentlich kann es sein, z. B. Flieh-, Gewichts- und Be­ schleunigungskräfte möglichst momentenfrei, d. h. in der Schienenmitte einzuleiten. Hierzu sieht die Erfindung u. a. vor, daß die Vorrichtung mit zwei Radsätzen ausgerüstet ist, die gegeneinander über ein die Verdrehung relativ zu­ einander ermöglichendes Lager miteinander verbunden sind.

In weiterer Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß das Antriebsmodul aus einem Antriebsmotor und einem daran di­ rekt angeordneten ersten Radsatz mit den Antriebsrädern ge­ bildet ist.

Um eine möglichst kompakte Bauweise zu gewährleisten und insbesondere die Bewegbarkeit zwischen Antriebsmodul einer­ seits und Lastaufnahmemodul andererseits zu erreichen, ist auch vorgesehen, daß das Antriebsmodul mit einem Doppekllen­ ker ausgerüstet ist. Dabei ist vorgesehen, daß der Doppel­ lenker am Antriebsmodul um eine Nickachse drehbar angeord­ net ist.

An dieser Stelle seinen die in der weiteren Beschreibung verwendeten Achsenbezeichnungen kurz erklärt. Hier werden die Drehbewegungsachsen von Fahrzeugen im dreidimensiona­ len Raum wie folgt eingesetzt:

Die X-Achse ist am Fahrzeug in der Fahrzeugvortriebsrich­ tung weisend angeordnet und als "Roll-Achse" definiert, die Y-Achse ist dazu in der gleichen Ebene, aber senkrecht zur Rollachse definiert und als "Nickachse" bezeichnet, während die Z-Achse auf diesen beiden Achsen senkrecht ste­ hend als "Gierachse" bezeichnet ist.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Lastauf­ nahmemodul am Doppellenker des Antriebsmoduls befestigt ist. Damit ergibt sich eine Bewegungsmöglichkeit zwischen Antriebsmodul und Lastaufnahmemodul um die Nickachse. Das weiter obenerwähnte Gelenk läßt auch eine Bewegung um die Rollache zu, ebenso wie die Doppellenker selbst eine Bewe­ gung um die Gierachse ermöglichen.

Zweckmäßig kann es sein, wenn der Radsatz des Lastaufnahme­ moduls dort in einer Führungsgabel gelagert ist, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht. Dabei ist zur Ermögli­ chung der oben beschriebenen Bewegungsarten die Führungsga­ bel um eine Gierachse verdrehbar am Lastaufnahmemodul befe­ stigt und/oder der Radsatz in der Führungsgabel um eine Nickachse drehbar gelagert.

Um die durch die Tätigkeit des Roboters auftretenden Momen­ te abfangen zu können, sieht die Erfindung in wesentlicher Ausgestaltung auch vor, daß die Verdrehung der Radsätze zu­ einander ermöglichende Verbindungslager zwischen Antriebs­ modul und Lastaufnahmemodul mit einer Sperre zur Blockie­ rung der Verdrehbarkeit ausgerüstet ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ speisweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Prinzipdarstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Frontansicht in vereinfachter Darstellung auf die Vorrichtung,

Fig. 3 eine Systemdarstellung einer Schienenführung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Fahrgestells mit Antrieb in Kurvenfahrt,

Fig. 5 eine Ansicht der Vorrichtung in einem Bereich einer torsierten Schiene sowie in

Fig. 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung in einer Ver­ tikalkurve.

Auf einer als geschlossenes Hohlprofil ausgebildeten Schie­ ne 1 wird die allgemein mit 2 bezeichnete Vorrichtung nach der Erfindung verfahren. Die Vorrichtung 2 besteht dabei aus einem Antrieb 3, einer Lastaufnahme 4 mit einer Posi­ tionssteuerung 5, darauf nur andeutungsweise wiedergegebe­ nen Handhabungsobjekten 6 und einem Roboter 7.

Die Lastaufnahme 4 ist mit einem Stützradsatz 8 ausgerü­ stet und mit dem Motor 3, der ebenfalls über einen Stütz­ radsatz 9 verfügt, über wenigstens ein Gelenk 10 verbun­ den, was weiter unten näher beschrieben ist.

In Fig. 1 sind am Radsatz 9 des Motormoduls 3 die drei Raumachsen eingezeichnet, wobei mit X die Roll-, mit Y die Nick- und mit Z die Gierachse bezeichnet ist.

In Fig. 3 ist eine Systemdarstellung wiedergegeben. Hier ist ein Schienensystem dargestellt, bei dem die Schiene 1 in der Horizontalen mit Bogenstücken 11, in der Vertikalen mit Bogenstücken 12 und z. B. mit Weichen 13 ausgerüstet ist. Damit soll lediglich angedeutet sein, daß die Vorrich­ tung 2 im dreidimensionalen Raum praktisch jede Stellung einnehmen kann. Wird die Vorrichtung 2 in Fig. 3 nach Er­ greifen eines zu handhabenden Gegenstandes 6 aus der rechts unten wiedergegebenen Stellung in die links oben wiedergegebene Stellung über die Weiche 13 und dem Verti­ kalbogen 12 verfahren, so ist erkennbar, daß sich der zu­ nächst unten angeordnete Roboterarm 14 nunmehr auf der Oberseite als Roboterarm 14′ befindet. Damit konnte z. B. das Handhabungselement 6 um 180° gewendet werden, ohne daß es dazu einer zusätzlichen Bewegung des Roboterarmes 14 bedurft hätte.

Nähere Einzelheiten der Vorrichtung 2 ergeben sich aus den Fig. 4 bis 6, wobei unterschiedliche Kurvenlagen darge­ stellt sind:

Fig. 4 zeigt die Vorrichtung 2 einer Horizontalkurve. Am Motormodul 3 ist ein allgemein mit 15 bezeichneter Doppel­ lenker, der um die Nickachse Y drehbar gelagert ist. Am Pa­ rallelgestänge 16 ist die vereinfacht wiedergegebene Last­ aufnahme 4 über einen Gelenkzapfen 17 derart verbunden, daß dort eine Verdrehung um die Rollachse X möglich ist.

Der allgemein mit 8 bezeichnete Radsatz des Lastaufnahmemo­ duls 4 ist in einer Gabel 18 gelagert, die ihrerseits am Lastaufnahmemodul 4 um eine Gierachse Z drehbar angeordnet ist.

In Fig. 5 ist die Möglichkeit gezeigt, daß die Laufschiene 1 eine Krümmung in sich selbst vollführt, was dort mit Tor­ sionskurve bezeichnet ist. Durch das in Fig. 4 beschriebe­ ne Gelenk 17 ist die Vorrichtung 2 in der Lage, einem der­ artigen Verlauf der Schiene 1 zu folgen.

Durch die besondere Aufhängung der Module 3 und 4 relativ zueinander ist die Vorrichtung 1 auch in der Lage, Verti­ kalkurven zu durchfahren, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, insbesondere auch, weil der Radsatz 8 an der Gabel 18 so befestigt ist, daß er sich um eine Nickachse Y bewegen kann. Die gleiche Bewegbarkeit weist, wie bereits erwähnt, der Doppellenker 15 relativ zum Motormodul 3 auf.

Schließlich sei bezugnehmend auf Fig. 5 noch bemerkt, daß die Radsätze 8 bzw. 9 aus oberen und unteren Führungsrol­ len 19 bzw. 20 und seitlichen Rollen 21 besteht, die alle auch Antriebsfunktionen übernehmen können, je nachdem wo sie eingesetzt sind. Bevorzugt wird dabei die Anordnung so getroffen, daß die Einleitung auch von Antriebskräften mög­ lichst momentenfrei erfolgt.

Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Er­ findung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann beispielsweise an ei­ nem Fahrantrieb zwei Handhabungsgeräte oder ein Lastaufnah­ memittel für zu handhabende Güter und ein weiteres für das Handhabungsgerät selbst vorgesehen sein. Auch ist die Er­ findung nicht auf eine besondere Antriebsart beschränkt oder auf eine spezielle Querschnittsform der Fahrschienen u. dgl. mehr.

Claims (14)

1. Verfahren zum automatischen Handhaben von Gegenständen im dreidimensionalen Raum, dadurch gekennzeichnet, daß die Handhabung von einem auf einem dreidimensional ver­ legten Schienensystem bewegbaren mit wenigstens einem zu­ sätzlichen Arbeitsfreiheitsgrad versehenen Handhabungsge­ rät durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensional verfahrbare Handhabungsgerät zwei eigene Arbeitsfreiheitsgrade aufweist.

3. Vorrichtung zum Einsatz in einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem schienengebundenen Fahrzeug (1) mit einem eigenen Antrieb (3) gebildet ist mit einer Aufnahme (4) für eine zu fördernde Last (6) und/oder ein Handha­ bungsgerät (Roboter) (7).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Last-/Roboteraufnahme (4) und die Antriebseinheit (3) als getrennte Module ausgebildet sind, die miteinander in einer eine Relativbewegung zueinander ermöglichenden Weise verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Radsätzen (8, 9) ausgerüstet ist, die die Bewe­ gung über eine dreidimensional im Raum verlegte Schiene (1) ermöglichen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit zwei Radsätzen (8, 9) ausgerüstet ist, die ge­ geneinander über ein die Verdrehung relativ zueinander er­ möglichendes Lager (10) miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmodul (3) aus einem Antriebsmotor und ei­ nem daran direkt angeordneten ersten Radsatz (9) mit den Antriebsrädern gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmodul (3) mit einem Doppellenker (15) aus­ gerüstet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppellenker (15) am Antriebsmodul um eine Nickach­ se (Y) drehbar angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lastaufnahmemodul (4) am Doppellenker (15) des An­ triebmoduls (3) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Radsatz (8) des Lastaufnahmemoduls (4) dort in ei­ ner Führungsgabel (18) gelagert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsgabel (18) um eine Gierachse (Z) verdreh­ bar am Lastaufnahmemodul befestigt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Radsatz (8) in der Führungsgabel (18) um eine Nick­ achse (Y) drehbar gelagert ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das die Verdrehung (X) der Radsätze (8, 9) zueinander ermöglichene Verbindungslager (17) zwischen Antriebsmodul (3) und Lastaufnahmemodul (4) mit einer Sperre zur Blockie­ rung der Verdrehbarkeit ausgerüstet ist.