EP3066441A2 - Erfassungseinrichtung und erfassungsverfahren - Google Patents

Erfassungseinrichtung und erfassungsverfahren

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Publication number
EP3066441A2
EP3066441A2 EP14805197.2A EP14805197A EP3066441A2 EP 3066441 A2 EP3066441 A2 EP 3066441A2 EP 14805197 A EP14805197 A EP 14805197A EP 3066441 A2 EP3066441 A2 EP 3066441A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
robot
industrial robot
measuring
detection device
working
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14805197.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard ZUNKE
Andreas Domke
Konrad Wirth
Thomas Rau
Julian STOCKSCHLÄDER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Systems GmbH
Original Assignee
KUKA Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Systems GmbH filed Critical KUKA Systems GmbH
Publication of EP3066441A2 publication Critical patent/EP3066441A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B25J9/1692—Calibration of manipulator
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0095—Means or methods for testing manipulators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0076—Force sensors associated with manufacturing machines
    • G01L5/008—Force sensors integrated in an article or a dummy workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1674—Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676—Avoiding collision or forbidden zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16P—SAFETY DEVICES IN GENERAL; SAFETY DEVICES FOR PRESSES
    • F16P3/00—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body
    • F16P3/12—Safety devices acting in conjunction with the control or operation of a machine; Control arrangements requiring the simultaneous use of two or more parts of the body with means, e.g. feelers, which in case of the presence of a body part of a person in or near the danger zone influence the control or operation of the machine
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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    • G05B2219/42288—Limit, stop drive current if axis obstructed, blocked, force against stop
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49162—On collision, obstruction reverse drive, accelerate, cancel inertia

Definitions

  • the invention relates to a detection device and a detection method having the features in the preamble of the method and device main claim.
  • Articulated arm industrial robots are e.g. from DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI and DE 10 2007 028 758 B4 known.
  • the invention solves this problem with the features in the method and device main claim.
  • the claimed detection technique in particular the detection device and the detection method, enables a realistic metrological detection of the robot-induced stresses possibly acting on the human body in the process. These are the mechanical loads, especially forces coming from Industrial robot or its process tool in the real process in a collision on the human body exercised or act there. This collision and injury relevant features of the industrial robot or its process tool, eg
  • the claimed detection technique allows a
  • the design can be based on the detected and the actual process conditions corresponding body stresses in case of contact. It is thus more precise than an interpretation based on assumptions.
  • Robot speed (s) can be optimized.
  • Capture technique can also be used to calibrate a MRK-enabled industrial robot associated with or integrated into this sensor. Furthermore, validation and proof of the MRK capability of the work apparatus and the industrial robot are possible.
  • a touch contact with the human body can be distinguished according to two types of stress, namely the impact force and the occurring
  • the impact force is a dynamic force that is transmitted in the first momentum in contact with the human body (peak).
  • the clamping and squeezing force is the static force that remains after a first momentum.
  • the force limit values for the respective types of stress are for individual ones Body regions set in a body model.
  • the measuring device can process and practice-oriented via the positioning
  • the detection technique can also be adapted to the reaction of the body part to be protected in the event of a collision. This concerns in particular the spring behavior and possibly also the damping behavior of the body part in
  • an industrial robot suitable for human-robot cooperation (abbreviated MRK) is preferably used. This one has
  • the robot axis (s) can / can
  • This can be eg an intrinsic compliance, active or passive is trained.
  • the compliance can also be a pure spring function.
  • Industrial robots may alternatively be provided in other ways, e.g. be achieved by an external sensor or work space monitoring.
  • Figure 1 a workstation with a MRK-suitable
  • Figures 4 and 5 a measuring device of
  • Figures 6 and 7 a variant of the measuring device of
  • FIG. 8 shows a MRK-compatible tactile robot.
  • the invention relates to a detection device (2) and a detection method for robot-induced loads, in particular forces, in a working process at
  • the invention further relates to a working device (1) with a
  • the working device (1) has at least one
  • multi-axis and programmable industrial robot (3) which is preferably designed as a tactile robot and a process tool (4) carries and moves.
  • a preferred embodiment of the invention shown in FIG. 1 A preferred embodiment of the invention shown in FIG. 1
  • Industrial robot (3) is explained below.
  • the industrial robot (3) with its tool (4) performs a process on a workpiece, not shown.
  • the process and the process tool (4) can be configured as desired. Im shown
  • Embodiment is a joining process, in particular a mounting process, wherein the
  • Process tool (4) is designed as a gripper. Other alternative processes include other joining processes
  • the process tool (4) can also have one or more own axes of motion and drives.
  • the working device (1) is designed for a human-robot cooperation or collaboration (abbreviated to MRK) with a worker (14) who can get into the work area of the industrial robot (3) with one or more body parts. In this case, touch contacts between the industrial robot (3) or the process tool (4) and the worker (14) are possible, whereby mechanical stress for an affected body part can arise.
  • the performance of the working device (1) and its industrial robot (3) should be as high as possible.
  • Exposure to bodily contact with the operator (14) must be limited to a permissible limit.
  • the relevant limit for the affected body region can be taken from a body model.
  • Body contact simulated, wherein the mechanical stresses occurring, in particular acting forces measured, evaluated and compared with the predetermined limits.
  • the design and programming can be optimized based on the comparison results.
  • the load is recorded under realistic
  • Collision point (13) is e.g. according to FIG. 1 at an edge of the process tool (4).
  • the resulting loads are also dependent on the shape of the collision point (13), with pointed or sharp-edged contact points (13) causing greater loads and a higher risk of injury than blunt collision points (13).
  • the robot programming can be used to determine where the collision point (13) on the
  • the detection device (2) is provided with a
  • Evaluation unit (29) can be a separate
  • the evaluation unit (29) or the controller (12) may be an evaluation of the measurement signals and possibly also a comparison with the predetermined limit values from a possibly in the
  • Variants shown in more detail detection device (2) has a measuring device (16) for detecting the robot-induced loads, in particular the
  • the measuring device (16) can thereby be positioned and aligned at potential danger and collision points, thereby simulating a possible body contact with the worker (14). The positioning and alignment takes place according to the body region possibly located in such a region.
  • the measuring device (16) has a measuring means (17) as well as a collision element (19) movably and elastically deflectable for detection of a contact with a collision point (13).
  • the collision element (19) simulates the
  • the collision element (19) is plate-shaped, for example as circular plate, designed.
  • the avoidance capability of the collision element (19) can take place after one or more avoidance axes (28). In such a dodge can also be
  • Compliance behavior of the simulated body part in particular a spring behavior and / or a
  • the avoidance and guide means (20) has at least one escape axis (28), e.g. is aligned normal to the surface of the collision element (19).
  • the avoidance and guide means (20) preferably has an adapted to the affected body part spring and / or damping behavior.
  • FIGS. 2 to 5 and 6, 7 show two variants for this purpose.
  • a spring (21) is clamped between the collision means (19) and the measuring means (17) and is supported on both elements (17, 19). It is e.g. designed as a helical spring and guided with pins on the elements (17,19).
  • a guide (22) for the collision element (19) is present.
  • This is preferably designed as a straight guide with a plurality of parallel guide sleeves, e.g. in the form of sliding bearing bushes, in which cylindrical
  • Collision means (19) are connected and at the other end an optionally adjustable end stop for limiting the Wear extension length.
  • the collision means (19) can be tilt-and rotationally guided along the escape axis (28). In the embodiment of Figures 2 to 5 are two parallel
  • the guide rods are connected at the rear end by a three-armed coupling element (32), which for stabilization and
  • Synchronization ensures as well as can form an end stop.
  • the spring (21) has a spring stiffness which may correspond to or approximate the compression rate of the affected body part.
  • the compression rate can also be taken from the body model.
  • the spring (21) as
  • Compression spring in particular coil spring formed. It is aligned along the straight guide (22) and the escape axis (28) formed thereby.
  • the guide (22), in particular the straight guide, may have an optionally adjustable damping, which may be e.g. may be formed by an adjustable friction element (not shown). Also a fluidic, in particular hydraulic damping is possible, e.g. with one or more
  • the damping can be the reaction of the
  • the measuring means (17) is designed as a Senoran angel and preferably to the evaluation unit (29) or to the
  • a force sensor is provided, which is arranged on a holder (23) and rearwardly supported, which in turn with the positioning (15) is connected.
  • the holder (23) is also connected to the avoidance and guide means (20), in particular the
  • the force sensor is formed in the embodiment shown as a 3-D force sensor and is loaded on the top of the spring (21).
  • the holder (23) is adjustable on the positioning device (15) and in the desired position and
  • a substructure (33) is present, which consists of a mounting plate attached to the column (25) and three support columns aligned along the axis (28). These are arranged in a triangle offset from the guides (22) and distance the holder (23) from the mounting plate.
  • the coupling element protrudes with its arms in the gaps between the
  • the positioning device (15) allows a spatial adjustment of the measuring device (16) in one or
  • the positioning device (15) has a frame (24), which may be formed in one or more parts and in itself rigid or movable. Furthermore, one or more adjusting means (27) are provided for defined adjustment and fixing. This can e.g.
  • the frame (24) has a base (26) for mounting on a work table or other base in the working area of the work table
  • the measuring means (17) is for example via the holder (23) along the adjusting axis (30) height-adjustable mounted on the column (25) and can be fixed in the desired position.
  • the column (25) may be rigid or rigid with the base (26)
  • the column (25) is e.g. on a one- or multi-part foot plate rigid or
  • Adjusting means (27) are formed, e.g. between column
  • one or more translatory adjusting axes may be present between the column (25) and the base (26).
  • the MRK capability of the working device (1) and possibly of the industrial robot (3) can be produced in different ways.
  • the industrial robot (3) is a tactile robot
  • Industrial robot (3) detects a touch contact as an external load at a robot position
  • the tactile industrial robot (3) can with the Workers (14) work together in an open work area without a fence or other machine boundary. It can also come to painless contacts.
  • the industrial robot (3) can eg according to DE 10 2007
  • the industrial robot (3) is connected to an external or
  • the tactile industrial robot (3) can be the in Figure 8
  • Industrial robots can in particular power or
  • the industrial robot (3) has several, e.g. four,
  • the links (5, 6, 7, 8) are preferably articulated and connected to each other and to a pedestal via rotating robot axes I-VII.
  • the socket may have a terminal for equipment shown in FIG. It is also possible that individual members (6,7) in several parts and in itself, in particular about the longitudinal axis
  • the industrial robot (3) is designed as Gelenkarm- or articulated robot and has seven driven axes or axes of motion I-VII.
  • the axes I-VII are connected to the robot controller and can be controlled and possibly regulated.
  • the output side end member (8) of the robot (3) is eg trained as a robot hand and assigns this to a
  • the axis of rotation (10) constituting the last robot axis VII.
  • the robot (3) preferably has three or more movable members (5, 6, 7, 8). In the exemplary embodiment shown, it has a base member (5) connected to the ground via a base, and the abovementioned end member (8) and two intermediate members (6, 7).
  • the intermediate links (6,7) are multi-part and rotatable by means of axes (III) and (V) is formed.
  • the number of intermediate links (6,7) may alternatively be smaller or larger.
  • Modification may be single or all intermediate links (6,7) rotatably and without additional axis formed.
  • the links (5, 6, 7, 8) may have a straight shape or angled as shown in FIG. 8.
  • the industrial robot (3) can according to Figure 1 standing or hanging alternatively
  • the robot axes I-VII each have an axle bearing, e.g. Swivel or a joint, and a here associated and integrated controllable, possibly adjustable final drive, e.g. Rotary drive, up.
  • the robot axes I-VII can have a control or shiftable brake and possibly redundant sensors (11).
  • the sensors can
  • These sensors can be the same or different
  • the aforementioned force control or force control of the robot axes refers to the effect on the outside of the output element (9) of the end member (8) and on the reaction forces acting there.
  • Robot-internally, a torque control or torque control takes place on the rotating axes or axle drives.
  • the industrial robot (3) can be one or more resilient axles (I-VII) for the MRK fitness
  • the compliance rule can be a pure
  • Dodge capability of the industrial robot (3) can be used for manual teaching and programming. Over a
  • Load detection with the robot sensors on the axles (I - VII) can also search and find the
  • One or more compliant axes are also advantageous for tracking the process tool (4) according to the feed.
  • the industrial robot (3) can also apply a defined pressing or pulling force as needed. In the different cases can also one Weight compensation done.
  • the illustrated industrial robot (3) can as
  • Process tool (4) also has a low weight.
  • the industrial robot (3) with its process tool (4) is thus lightweight overall and can be transported without much effort and moved from one location to another.
  • Industrial robot (3) and process tool (4) can be less than 50 kg, in particular about 30 kg.
  • the industrial robot (3) is programmable, wherein the robot controller (12) has a computing unit, one or more memories for data or programs as well as input and output units.
  • the process tool (4) may be connected to the robot controller (12) or other common controller and may be e.g. when
  • the robot controller may process relevant data, e.g. Sensor data, save and for a
  • the sensor system (11) can likewise be connected to the evaluation unit (29) of the detection device (2).
  • An important element of the detection technique is time-synchronous evaluation and comparison of the signals of the robot-internal collision detection or sensor system (11) and the measured values of the external detection device (2). In this case, it can be determined whether, in the event of a collision, the sensors (11) of the MRK-capable industrial robot (3) and the
  • Detecting device (2) measure comparable forces. Also the time behavior, e.g. regarding
  • a design of the evaluation unit (29) as a software module in the robot controller (12) is particularly suitable for this purpose.
  • the detection device (2) can be used to validate and prove an MRK capability of the industrial robot (3) and the workstation (1). In particular, compliance with the force and load limits can be demonstrated.
  • Detecting device (2) can be mobile for this purpose and mounted at various relevant points in the work area of the industrial robot (3) for measurements and positioned according to the situation.
  • Evaluation unit (29) can display the measured values of the
  • Detection device (2) evaluated with location reference and stored and the validation results are logged and output.
  • the detection device (2) can also be used for calibrating the MRK-capable industrial robot (3) and in particular its sensor system (11).
  • the calibration may relate in particular to the assignment of robot speeds to physical force or load limits.
  • Embodiments are possible in various ways. On the one hand, the features of the embodiments and their modifications can be arbitrarily combined with each other and also replaced.
  • the avoidance and guide means (20) may have a different structural design and a different kinematics.
  • the escape axis (28) may possibly be bent.
  • the leadership (22) may be designed as scissors or otherwise.
  • As a spring (21) may alternatively be used a compressible body.
  • the industrial robot (3) may optionally have one or more position-controlled robot axes without force control. Alternatively or in addition to the preferred, into one or more members (5,6,7,8)
  • integrated sensor (11) can be used externally on the robot (3) or on the process tool (4) Senorik. This can e.g. non-contact objects in the
  • Robot sensors have sensing sensors. These can be, for example, capacitive or inductive sensors.
  • the MRK fitness may be due to another
  • Robot training e.g. with the aforementioned external
  • the industrial robot (3) may also have a different number and design of its members and robot axes. It can have any number and combination of rotary and / or translatory robot axes with corresponding axis drives.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung und ein Erfassungsverfahren für roboterinduzierte Belastungen, die in einem Arbeitsprozess bei Berührungskontakt auf den menschlichen Körper einwirken können. Die roboterinduzierten Belastungen, insbesondere Kräfte, werden mit der Messeinrichtung (16) einer externen Erfassungseinrichtung (2) messtechnisch erfasst. Die Messeinrichtung (16) wird dabei mittels einer Positioniereinrichtung (15) prozessgerecht im Arbeitsbereich eines Industrieroboters (3) positioniert und ausgerichtet.

Description

BESCHREIBUNG
Erfassungseinrichtung und Erfassungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Erfassungseinrichtung und ein Erfassungsverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.
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 AI, DE 10 2007 014 023 AI 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.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Schutztechnik für MRK zu verbessern .
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.
Die beanspruchte Erfassungstechnik, insbesondere die Erfassungsvorrichtung und das Erfassungsverfahren, ermöglicht eine realitätsnahe messtechnische Erfassung der im Prozess möglicherweise auf den menschlichen Körper einwirkenden roboterinduzierten Belastungen. Dies sind die mechanischen Belastungen, insbesondere Kräfte, die vom Industrieroboter oder dessen Prozesswerkzeug im realen Prozess bei einer Kollision auf den menschlichen Körper ausgeübt werden bzw. dort einwirken. Hierbei können kollisions- und verletzungsrelevante Besonderheiten des Industrieroboters oder seines Prozesswerkzeugs, z.B.
scharfkantige oder spitze Formen des kollidierenden
Roboter- oder Werkzeugbereichs, bei der Erfassung
Berücksichtigung finden. Die beanspruchte Erfassungstechnik erlaubt eine
Optimierung der Schutzmaßnahmen bei der Auslegung einer MRK-Arbeit svorrichtung 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-Arbeit svorrichtungen 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. Dies ist eine prozessechte Simulation.
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:
Figur 1: eine Arbeitsstation mit einem MRK-tauglichen
Industrieroboter, einem Werker und einer Erfassungseinrichtung für Kollisionsbelastungen in einer schematischen Seitenansicht, Figur 2 und 3: verschiedene perspektivische Ansichten der
Erfassungseinrichtung von Figur 1,
Figur 4 und 5: eine Messeinrichtung der
Erfassungseinrichtung von Figur 1 bis 3 in verschiedenen Ansichten,
Figur 6 und 7: eine Variante der Messeinrichtung von
Figur 2 bis 5 in Perspektiv- und
Seitenansicht und
Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 1 schematisch und in Figur 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. Figur 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 Gleit lagerbuchsen, 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 Figur 2 bis 5 sind zwei parallele
Führungshülsen (22) vorgesehen. Die Variante von Figur 6 und 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
Dämpf Zylindern . 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-Kraft sensor 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 Figur 2 bis 5 ist der Halter (23) direkt an der Säule (25) befestigt. In der Variante von Figur 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
Stüt z säulen . 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 AI, DE 10 2007 014 023 AI und/oder DE 10 2007 028 758 B4 ausgebildet sein. Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß Figur 8 wird nachstehend erläutert. Der Industrieroboter (3) ist an eine externe oder
integrierte Robotersteuerung (12) angeschlossen. Der taktile Industrieroboter (3) kann die in Figur 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 Figur 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 abtriebsseit ige 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 Figur 8 abgewinkelte Form haben. Der Industrieroboter (3) kann gemäß Figur 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 Positionsund 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 Arbeit sprozess 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 (4) 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.
BEZUGS ZEICHENLISTE
1 Arbeit sVorrichtung
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

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Erfassungseinrichtung für roboterinduzierte
Belastungen, die in einem Arbeitsprozess bei
Berührungskontakt auf den menschlichen Körper einwirken können, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Erfassungseinrichtung (2) eine Messeinrichtung (16) für die externe Erfassung von roboterinduzierten Belastungen, insbesondere Kräften, und eine
Positioniereinrichtung (15) zur prozessgerechten Positionierung und Ausrichtung der Messeinrichtung (16) im Arbeitsbereich eines Industrieroboters (3) aufweist .
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Erfassungseinrichtung (2) eine Auswerteeinheit (29) für die Signale der Messeinrichtung (16) aufweist.
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Auswerteeinheit (29) eine Signalverbindung zu einer Robotersteuerung (12) des Industrieroboters (3) aufweist .
Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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 g e k e n n z e i c h n e t, 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. 6.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (2) dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine MRK-Tauglichkeit des
Industrieroboters (3) und der Arbeitsstation (1) zu validieren und nachzuweisen.
7. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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 .
8. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Kollisionselement (19) und dem
Messmittel (17) ein Ausweich- und Führungsmittel (20) mit mindestens einer Ausweichachse (28) angeordnet ist.
9. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ausweich- und Führungsmittel (20) ein an das betroffene Körperteil angepasstes Feder- und/oder Dämpfungsverhalten aufweist.
10. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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. 11.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Feder (21) eine der Kompressionsrate des
betroffenen Körperteils entsprechende
Federsteifigkeit aufweist.
12.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Führung (22) eine Dämpfung aufweist. 13.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Kollisionselement (19) plattenförmig ausgebildet ist . 14.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Messmittel (17) als Kraftmesssensor,
insbesondere 3D-Kraftmesssensor , ausgebildet ist. 15.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messeinrichtung (16) eine Signalverbindung (18) zu dem Industrieroboter (3), insbesondere zu einer Robotersteuerung (12), aufweist.
16.) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messeinrichtung (16) einen Halter (23) für das Messmittel (17) aufweist.
17. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Halter (23) mit dem Ausweich- und Führungsmittel (20) verbunden ist.
18. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Halter (23) mit der Positioniereinrichtung (15) verstellbar verbunden ist.
19. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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.
20. ) Erfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Positioniereinrichtung (15) ein Gestell (24) mit
Stellmitteln (27) und mit einer Basis (26) für eine Montage an einer Unterlage im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) aufweist. 21.) Arbeitsvorrichtung mit einem Industrieroboter (3), der ein Prozesswerkzeug (4) trägt und der für eine Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) tauglich ausgebildet ist, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass im Arbeitsbereich des Industrieroboters (3) eine Erfassungseinrichtung
(2) angeordnet ist, welche roboterinduzierte
Belastungen erfasst, die im Arbeit sprozess bei
Berührungskontakt mit dem Industrieroboter (3) und/oder dem Prozesswerkzeug (4) auf den
menschlichen Körper einwirken können.
22. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Erfassungseinrichtung (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildet ist.
23. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Industrieroboter (3) als taktiler und mehrachsiger Industrieroboter mit mehreren Gliedern (5,6,7,8) ausgebildet ist.
24. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der
Industrieroboter (3) eine oder mehrere
kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I
- VII) und eine zugeordnete, einwirkende Belastungen erfassende Sensorik (11) aufweist.
25. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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.
26. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis
25, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, 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.
27.) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Sensorik (11) mit der Auswerteeinheit (29)
signaltechnisch verbunden ist.
28. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis
27, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (2) als Kalibriereinrichtung für den Industrieroboter (3) und die zugeordnete, insbesondere integrierte Sensorik (11) ausgebildet ist .
29. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis
28, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungseinrichtung (2) als Validierungs- und Nachweiseinrichtung für die MRK-Tauglichkeit der Arbeitsvorrichtung (1) und/oder des taktilen
Industrieroboters (3) ausgebildet ist.
30. ) Verfahren zum Erfassen von roboterinduzierten
Belastungen, die in einem Arbeitsprozess bei
Berührungskontakt mit einem Industrieroboter (3) oder dessen Prozesswerkzeug (4) auf den menschlichen Körper einwirken können, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
roboterinduzierten Belastungen, insbesondere Kräfte, mit einer Messeinrichtung (16) einer externen
Erfassungseinrichtung (2) messtechnisch erfasst werden, wobei die Messeinrichtung (16) mittels einer Positioniereinrichtung (15) prozessgerecht im
Arbeitsbereich eines Industrieroboters (3)
positioniert und ausgerichtet wird. 31.) Verfahren nach Anspruch 30, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Belastungserfassung unter realistischen
Prozessbedingungen erfolgt, 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.
32. ) Verfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass im Kontaktfall die von der Messeinrichtung (16) extern erfassten Kräfte mit den von einer internen Sensorik (11) des
Industrieroboters (3) detektierten Kräften
zeitsynchron ausgewertet und verglichen werden.
33. ) Verfahren nach Anspruch 30, 31 oder 32, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels der externen Erfassung der roboterinduzierten
Belastungen der Industrieroboter (3) und dessen interne Sensorik (11) kalibriert werden.
34.) Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mit einem Kollisionselement (19) der Messeinrichtung (16) eine Körperoberfläche simuliert wird, wobei das
Kollisionselement (19) beweglich und elastisch ausweichfähig mit einem Messmittel (17) der
Messeinrichtung (16) verbunden ist. 35.) Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels der Erfassung der roboterinduzierten Belastungen eine MRK-Tauglichkeit des Industrieroboters (3) und der Arbeitsvorrichtung (1) validiert und
nachgewiesen werden.
36.) Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 35,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass mittels der Erfassung der roboterinduzierten Belastungen die Arbeitsvorrichtung (1), der Industrieroboter (3) und der durchzuführende Prozess ausgelegt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass bei der Auslegung der Arbeitsvorrichtung (1), des
Industrieroboters (3) und des durchzuführenden
Prozesses die Roboterbewegungen und insbesondere die dabei auftretenden Robotergeschwindigkeiten
einerseits möglichst hoch gewählt werden, wobei andererseits die hiervon ausgehenden Belastungen bei einem Körperkontakt auf einen zulässigen Grenzwert beschränkt werden.
38.) Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 37,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass bei der Auslegung der Arbeitsvorrichtung (1), der
Industrieroboter (3) und des durchzuführenden
Prozesses der für die jeweils betroffene
Körperregion maßgebende Grenzwert aus einem
Körpermodell entnommen wird. 39.) Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 38,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass über die Roboterprogrammierung erfasst wird, wo eine
Kollisionsstelle (13) am Industrieroboter (3) oder am Prozesswerkzeug (4) angeordnet ist und welche Form sie hat.
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