EP3077163A1 - Arbeitsvorrichtung und arbeitsverfahren - Google Patents

Arbeitsvorrichtung und arbeitsverfahren

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Publication number
EP3077163A1
EP3077163A1 EP14823916.3A EP14823916A EP3077163A1 EP 3077163 A1 EP3077163 A1 EP 3077163A1 EP 14823916 A EP14823916 A EP 14823916A EP 3077163 A1 EP3077163 A1 EP 3077163A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
working device
robot
working
decoupling
process tool
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Withdrawn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
EP14823916.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Otmar Honsberg
Simon Klumpp
Ralf Kühnemann
Julian STOCKSCHLÄDER
Richard ZUNKE
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
Priority claimed from DE201320105504 external-priority patent/DE202013105504U1/de
Priority claimed from DE201320105501 external-priority patent/DE202013105501U1/de
Application filed by KUKA Systems GmbH filed Critical KUKA Systems GmbH
Publication of EP3077163A1 publication Critical patent/EP3077163A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • B25J19/06—Safety devices
    • B25J19/063—Safety devices working only upon contact with an outside object

Definitions

  • the invention relates to a working device and a working method with the features in the preamble of the method and device main claim.
  • a touch contact with the human body can be distinguished according to two types of stress, namely the impact force occurring and the
  • Impact force is a dynamic force transmitted in the first momentum on contact with the human body
  • 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 defined for individual body regions in a body model.
  • Standardization in particular ISO / TS 15066 and EN 10218-1,2, contain requirements for MRC with regard to protective measures, sensory reliability and the like
  • a collision of the robot or its tool with an obstacle, in particular with a worker is detected with a detection device and, for safety, a protective measure, in particular a standstill or a backward movement of the robot, is initiated.
  • the collision detection can be done touching and possibly with a measurement of occurring collision forces.
  • tactile articulated arm industrial robots are known for example from DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI and DE 10 2007 028 758 B4.
  • Robot speed on the other hand can be optimized.
  • Actuator allows a reduction of the body burden and the risk of injury as well as an optimal comparison of process and MRK requirements.
  • the personal safety device in particular the
  • decoupling device and its decoupling element can be designed so stiff that
  • the personal protection device can be designed to be controllable. It can be used in movement situations where one
  • executed process can be restored or increased. This allows an optimal balancing of process requirements and MRK requirements.
  • the controllable decoupling can take place in motion situations of the industrial robot, in which the process and tool precision play no role and the increase of robot speed and performance of the robot Working device or industrial robot in the
  • the working device can also be designed simpler and with better performance orientation according to MRK requirements.
  • Figure 1 a working device with a
  • Figure 2 a first variant of a personal protection device in the form of a
  • Decoupling device Figure 5: a variant of the personal protection device with a resilient protection means
  • Figure 13 a preferred embodiment of a tactile, multi-axis industrial robot.
  • the invention relates to a working device (1) and a working method.
  • the working device (1) and the working method are for cooperation with a worker (6) and for a so-called.
  • Human-robot cooperation or collaboration abbreviated MRK
  • the working device (1) has according to Figure 1 a multi-axis industrial robot (2) with a
  • the industrial robot (2) is designed as a tactile robot. He has an associated, stress-absorbing sensors (11).
  • the industrial robot (2) is designed as a tactile robot. He has an associated, stress-absorbing sensors (11).
  • Working device (1) in particular the industrial robot (2), may have a controller (26).
  • a preferred embodiment is shown in Figure 13 and will be explained later.
  • Process tool (3) can also be present multiple times.
  • the process tool (3) can optionally by means of a
  • the process tool (3) can be designed as desired.
  • In the embodiment shown is a
  • a personal protection device (4) is arranged in the area of the process tool (3) .
  • This can also be referred to as a MRK protection device.
  • FIGS. 2 to 12 show different embodiments for this purpose.
  • the personal protection device (4) is controllable.
  • Figures 6 to 12 show a variant of the personal protection device (4), which is passive and permanently in operation.
  • the controllable personal protection device (4) has an actuator (5) for their activation and deactivation on.
  • the activated personal safety device (4) allows its own contact with the worker (6)
  • Process tool (3) or a tool part has For this corresponding compliant properties.
  • the personal safety device (4) can be activated by the actuator (5) during a feed movement of the industrial robot (2).
  • a feeding movement can be any
  • the personal safety device (4) can be connected to the controller (26) by means of a cable or wirelessly. This is preferably the robot control of the industrial robot (2). It can be used in industrial robots
  • the controller (26) can control the personal safety device (4), in particular its actuator (5), depending on the situation and in dependence on the process flow.
  • the personal protection device (4) is designed as a controllable or activatable and deactivatable decoupling device (17), with the activated state at a
  • FIGS. 6 to 12 show the variant of a passive one
  • Decoupling device (17 ') which is permanently in operation. This effective mass is also called reflected mass in MRK practice. It is determined by the mass and the center of gravity, which are moved by the industrial robot with a so-called robot speed and hit the body in the event of a collision.
  • the controllable and the passive decoupling device (17,17 ') is arranged in each case between the parts to be decoupled. It may, for example, be arranged between the process tool (3) and the industrial robot (2), as shown in FIGS. 2 to 4 and FIGS. 6 to 12.
  • the decoupling device (17, 17 ') may be located elsewhere, e.g. be arranged between parts of the process tool (3).
  • Figure 1 shows a schematic diagram of the controllable decoupling device (17) and the passive
  • the activated decoupling device (17) enables the process tool (3) to be decoupled from the industrial robot (2) in such a way that a relative movement is possible between these parts (2, 3). This reduces the mass acting on a person contact or the reflected mass on the mass and the center of mass of the
  • Process tool (3) The much larger mass of the industrial robot (2) is decoupled. The same applies to the passive and permanently in function variant of the decoupling device (17 ') of Figure 6 to 12. In addition, the industrial robot (2) in the variants of Figure 2 to 4 and Figure 6 to 12, the process tool (3) in his Delivery movement to work or
  • the robot speed can be correspondingly increased while maintaining the load limit values mentioned above.
  • Decoupling device (17) the parts (2,3) are coupled again. They are preferably rigid and
  • the controllable decoupling device (17) of Figure 2 to 4 has interfaces (24,25) for connection to the parts to be decoupled. In the shown
  • (24, 25) may be designed in any manner, e.g. be designed as flanges or mounting plates.
  • the decoupling device (17) furthermore has a controllable coupling (20) for the rigid connection and release of the parts (2, 3) to be decoupled.
  • the controllable coupling (20) for the rigid connection and release of the parts (2, 3) to be decoupled.
  • Coupling (20) can form the actuator (5) in this case.
  • the clutch (20) is self-centering and has a controllable drive for releasing and closing.
  • the clutch (20) has two or more
  • the coupling parts (21, 22) are connected to the coupling drive and can be disengaged for release, e.g. be distanced from each other, so that a relative movement of the coupling parts (21,22) in a possible body contact is possible.
  • the decoupling device (17) has a resilient retaining means (18) for guiding the decoupled parts (2, 3), in particular the coupling parts (21, 22) connected therewith.
  • the resilient holding means (18) effects a captive mechanical connection of the decoupled parts (2, 3) or the released coupling parts (21, 22) and, on the other hand, permits a relative movement between the decoupled parts (2, 3) and the loosened ones
  • the resilient retaining means (18) as a spring (19), in particular as a preferably cylindrical
  • Coil spring formed on the e.g.
  • cylindrical coupling parts (21,22) is wound and at its ends with one interface (24,25) may be connected.
  • the decoupling device (17) can also be
  • the spring (19) may be formed as a compression spring and also have such a release and separation function.
  • the release agent (23) may additionally be present. It can e.g. as a pneumatic or hydraulic cylinder or the like. be educated. It can also be acted upon by the controller (26).
  • Detekt ions which detects a response of the decoupling element s (28) in the event of a collision and a relative movement of the interfaces (24,25). It is schematically indicated in FIG. 2 and may also be present in the other exemplary embodiments.
  • Detecting means (27) may e.g. be designed as a non-contact distance sensor or the like. And is connected to the controller (26).
  • the coupling (20) can in different ways
  • FIG. 3 a magnetic coupling is shown schematically, which can be designed differently.
  • the decoupling device (17) is activated and deactivated in different ways.
  • the magnetic coupling (20) can in one embodiment a controllable electromagnet at least one
  • Decoupling device (17) is thereby deactivated.
  • the spring (19) and possibly the release agent (23) are detached from each other and possibly distanced, the
  • Decoupling device (17) is activated.
  • the magnetic force connects and holds the coupling parts (21, 22), the decoupling device (17)
  • the controllable release agent (23) acts in its actor function against the magnetic force and triggers for activation of the decoupling device (17), the coupling parts (21,22) from each other.
  • the coupling (20) as a mechanical or fluidic coupling with a mechanical or electrical drive or a fluidic, in particular pneumatic or hydraulic drive for
  • Figure 4 shows a variant of the coupling (20), which is a ball joint with a ball cup guide to the
  • the drive for closing the clutch (20) can be designed in any desired manner and have a centering device with which the ball joint and the ball socket can be brought into a defined and positively supported position to each other.
  • Figure 4 also shows a variant of the yielding
  • FIG. 5 shows a further modification of the controllable personal safety device (4). This one has
  • the movable protective means (12) is linearly extendable. It may alternatively be pivoted or otherwise moved between a retracted or retracted rest position and an extended working or guard position.
  • the resilient protection means (12) is e.g. when
  • the end part may e.g. as a welding nozzle,
  • the actuator (15) can form the actuator (5). He pushes to activate the personal protection device (4), the sleeve (13) or other protection means (12) in the working position shown, whereby said
  • Tool end part is enclosed and shielded.
  • Robot speed can be increased.
  • the protection means (12) from the actuator (15) moved back to the rest position and the
  • the other portions of the process tool (3) may in turn be provided with a housing (16) of a soft and body contact compliant material, e.g. one
  • the housing (16) can be fixedly arranged on the process tool (3) and also reduces the body burden and the risk of injury in the contact case.
  • the resilient protection means (12) may further include a
  • the spring head (14) is e.g. arranged on the front end of the protective means (12) and also consists of a sleeve which is guided longitudinally movably on the protective means (12) and by means of one or more springs on the protective means (12) is supported in the axial direction.
  • the spring head (14) can also with a
  • Detection means e.g. a motion sensor or the like. be equipped with a body contact and an evasive movement of the spring head (14) can be detected.
  • the spring head (14) is an additional
  • the protective means (12) can thereby have a higher axial rigidity, which is compensated by the spring head (14).
  • the spring head (14) can also represent a kind of decoupling device and can even form the only very small reflected mass at an axial body contact.
  • the passive decoupling device (17 ') of Figure 6 to 12 also has interfaces (24,25) for connection to the parts to be decoupled.
  • these parts are the Industrial robot (2), in particular its output member (10), and the process tool (3).
  • the interfaces (24, 25) can be structurally designed in any desired way, for example as flanges or mounting plates.
  • decoupling device (17 ') also a
  • Detekt ions which detects a response of the decoupling element s (28) in the event of a collision and a relative movement of the interfaces (24,25). It is schematically indicated in FIG. 6 and may also be present in the other exemplary embodiments.
  • Detecting means (27) may e.g. as a non-contact distance sensor or the like. be educated.
  • Coil spring possibly as a compression spring, is formed.
  • the single spring can also be designed in another way.
  • Figure 7 shows a variant of the spring assembly (29), which is designed here as a spring assembly. This consists of several axially aligned and each end with the interfaces (24,25) connected metallic
  • Single feathers e.g. Coil springs or compression springs. These can be arranged in a ring or in any two-dimensional grid and take care of the said
  • FIG. 8 shows a further variant of a spring arrangement (29), which in turn is designed as a spring assembly.
  • the said individual springs are arranged obliquely and form a conical spring package. Again, a ring or grid arrangement is possible.
  • the individual springs are each equipped with a support ring
  • Cone shape a greater lateral stability is achieved than in the previous variant of Figure 7.
  • the cone shape can be designed differently. In the illustrated and preferred embodiment, it tapers from the robot side to the process tool (3).
  • the interfaces or flanges (24,25) can be designed differently.
  • FIG. 9 shows a variant in which the
  • the magnet is trained. It consists of two or more magnetically conductive coupling parts, one of which is e.g. is designed as a permanent magnet and the other consists of a ferromagnetic material or is also a permanent magnet with reversed polarity.
  • Coupling parts can at the contact point a
  • the magnetic holding force can be overcome, whereby the coupling parts can move relative to each other and possibly separate from each other.
  • one or more resilient retaining means (18 ') may be present, e.g. between the coupling parts and / or between the
  • the yielding Holding means (18 ') may be formed, for example, as ropes or chains. On the other hand, they can consist of a flexurally elastic and possibly also axially resilient material and can be designed, for example, as a flexible sleeve, which holds the magnetic coupling (32).
  • the decoupling element (28) is designed as a ball joint (30) which has a ball head and a ball socket, which are firmly connected to the respectively adjacent interface (24, 25).
  • a ball joint (30) for decoupling rotational movements are possible.
  • an adhesive effect or other resistance can be generated, the rotational movements such only when a predetermined collision or
  • Overload element (31) also made of a resilient and e.g. consist of rubber-like material, which is in the
  • a resilient holding means (18 ') may be present (not shown), which allows the relative movement during decoupling and an uncontrolled falling apart of
  • FIG. 12 shows a further variant in which the
  • Overload elements (31) is formed.
  • the overload elements (31) stabilize the ball joint (30) until the occurrence of a predetermined collision or reaction force in the event of a collision, where they then yield and the overload elements (31)
  • the industrial robot (2) has in the embodiments of Figures 1 and 13 a plurality of interconnected
  • the industrial robot (2) can have several rotary and / or translatory
  • the robot arms (8, 9) can be designed in several parts and rotatable by means of axes (III) and (V).
  • the industrial robot (2) in Fig. 13 has e.g. seven robot axes (I - VII).
  • the industrial robot (2) can be a multi-axis or multi-unit robot in conventional design
  • Such an industrial robot (2) requires special MRK protection measures to meet the requirements of accident prevention. This can e.g. a
  • the industrial robot (2) is more tactile
  • An external sensor can e.g. between the industrial robot (2) and the process tool (3)
  • the integrated sensor system (11) is preferred. She takes those at one
  • Robot axis (I - VII) acting loads may be arranged on the industrial robot (2) and / or on the process tool (3), which detects impending collisions and detects, e.g. is designed as a proximity sensor.
  • the tactile industrial robot (2) can have one or more force-controlled or force-controlled robot axes, in particular final drive (s).
  • all robot axes (I-VII) are force-controlled or
  • the tactile industrial robot (2) has at least one compliant robot axis (I-VII) with a
  • Robot axes (I - VII) a compliance control.
  • the compliance control may be e.g. a pure force control or a combination of a position and
  • a tactile industrial robot (2) can be switched to different operating modes. This allows
  • the tactile industrial robot (2) may e.g. be switched into a spring mode, in which he evades the external load resiliently until the load disappears.
  • a switch to a powerless mode is possible, in which the industrial robot (2) stops when such an external load occurs and moves on only after the elimination of the load.
  • the industrial robot (2) can also be manually guided and taught by e.g. acts on its output member (9) or on the process tool (3). The occurring robot and
  • Limb movements are registered and stored in order to generate a train or movement program for robot operation on this basis.
  • a tactile industrial robot (2) of the type described above is in particular in an implementation of
  • compliant robot axes suitable for a human-robot cooperation or collaboration (abbreviated MRK) and provided or trained. He may be at an unexpected or unexpected in the program flow
  • Such a tactile robot can eg according to DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI or DE
  • the industrial robot (2) preferably has a relatively low weight of less than 100 kg, especially 50 kg or less. He also has a correspondingly limited load capacity.
  • the industrial robot (2) can be designed as a small robot. Also preferred is a design as a lightweight robot, which is constructed of particularly lightweight materials, in particular plastic, at least in parts.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung (1) und ein Arbeitsverfahren mit einem für eine Mensch-Roboter- Kooperation oder -Kollaboration (MRK) gerüsteten Industrieroboter (2), der ein Prozesswerkzeug (3) trägt. Der Industrieroboter hat mehrere drehbar miteinander verbundene Glieder (7,8,9,10) und eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I-VII) mit einer integrierten Sensorik, die von außen einwirkende Belastungen der jeweiligen Roboterachse (I-VII) erfasst. Als ergänzende MRK-Schutzmaßnahme ist im Bereich des Prozesswerkzeugs (3) eine Personen-Schutzeinrichtung (4) angeordnet.

Description

BESCHREIBUNG
Arbeitsvorrichtung und Arbeitsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung und ein Arbeitsverfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruchs.
Bei praxisbekannten modernen Arbeitsvorrichtungen können Menschen mit Industrierobotern, insbesondere taktilen Robotern, kooperieren oder kollaborieren. Dies wird als Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) bezeichnet. Berührungskontakte zwischen dem
menschlichen Körper und dem Industrieroboter bzw. seinem Prozesswerkzeug sind dabei unter Einsatz von berührend wirkende Schutzmaßnahmen in Grenzen zugelassen. 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.
Ein Berührungskontakt mit dem menschlichen Körper kann nach zwei Beanspruchungsarten 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 .
Die Normung, insbesondere die ISO/TS 15066 und die EN 10218-1,2 beinhalten Vorgaben für die MRK hinsichtlich Schutzmaßnahmen, sensorische Ausfallsicherheit und dgl Bei der MRK wird mit einer Erfassungseinrichtung eine erfolgte Kollision des Roboters bzw. seines Werkzeugs mit einem Hindernis, insbesondere mit einem Werker, detektiert und zur Sicherheit eine Schutzmaßnahme, insbesondere ein Stillstand oder eine Rückwärtsbewegung des Roboters, eingeleitet. Die Kollisionserfassung kann berührend und ggf. mit einer Messung von auftretenden Kollisionskräften erfolgen. 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.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Arbeitstechnik aufzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.
Die beanspruchte Arbeitstechnik, d.h. die
Arbeitsvorrichtung und das Arbeitsverfahren, haben den Vorteil, dass mit der Personen-Schutzeinrichtung die
Arbeitsvorrichtung hinsichtlich Schutzwirkung einerseits und Leistungsfähigkeit, insbesondere
Robotergeschwindigkeit, andererseits optimiert werden kann .
Die Personen-Schutzeinrichtung wird zur wirksamen
Ergänzung anderer MRK-Sicherheit smaßnahmen eingesetzt. In Verbindung mit einem MRK-gerüsteten taktilen
Industrieroboter, der eine integrierte, von außen auf die jeweilige Roboterachse einwirkende Belastungen aufnehmende Sensorik aufweist, ergibt sich eine optimale Lösung. Als MRK-gerüsteter Industrieroboter wird ein taktiler
Industrieroboter bezeichnet, der mit seiner integrierten Sensorik eine Kollision mit einer Person detektiert und dann eine MRK-Schut zmaßnahme durchführt, z.B. eine
Bewegungsstop, ein Aus- oder Rückweichen oder dgl .. Für die Ausgestaltung der Personen-Schutzeinrichtung gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Eine Ausbildung als nachgiebiges Schutzmittel mit
Stellantrieb erlaubt eine Minderung der Körperbelastungen und des Verletzungsrisikos sowie einen optimalen Abgleich von Prozess- und MRK-Anforderungen .
Eine Ausbildung als Entkoppelungseinrichtung kann die bei einem Körperkontakt wirksame Masse und damit die
auftretende Körperbelastung mindern. Alternativ oder zusätzlich kann die Robotergeschwindigkeit dank
Massenreduzierung erhöht werden. Die Personen- Schutzeinrichtung, insbesondere die
Entkoppelungseinrichtung und deren Entkoppelungselement kann anderseits so steif ausgelegt werden, dass
Kollisionen mit einem Werker durch den MRK-gerüsteten taktilen Industrieroboter weiterhin erkannt werden.
Die Personen-Schutzeinrichtung kann steuerbar ausgebildet sein. Sie kann in Bewegungssituationen, in denen eine
Kollision mit einem Werker droht, aktiviert werden. Durch diese zusätzliche Schutzmaßnahme können die
Verletzungsrisiken gemindert und dementsprechend die Robotergeschwindigkeit in diesen Bewegungssituationen erhöht werden. Andererseits kann die Personen- Schutzeinrichtung beim Werkzeugeinsatz und der
betreffenden Prozesssituation wieder deaktiviert werden, wodurch die Präzision, Funktionalität und
Leistungsfähigkeit des Prozesswerkzeugs und des
ausgeführten Prozesses wieder hergestellt bzw. gesteigert werden können. Dies erlaubt einen optimalen Abgleich von Prozesserfordernissen und MRK-Anforderungen .
Die steuerbare Entkoppelung kann in Bewegungssituationen des Industrieroboters erfolgen, in denen die Prozess- und Werkzeugpräzision keine Rolle spielen und die Steigerung von Robotergeschwindigkeit und Leistungsfähigkeit der Arbeitsvorrichtung oder des Industrieroboters im
Vordergrund steht. Andererseits sind beim eigentlichen, mit dem Werkzeug ausgeführten Prozess das
Verletzungsrisiko und die MRK-Anforderungen untergeordnet, so dass die Entkoppelung wieder aufgehoben werden kann.
Von besonderem Vorteil ist die Möglichkeit, die Masse des gesamten Industrieroboters unabhängig von den Roboterposen zu entkoppeln. Die Arbeitsvorrichtung kann außerdem einfacher und mit besserer Leistungsorientierung nach MRK- Erfordernissen ausgelegt 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 Arbeitsvorrichtung mit einem
Industrieroboter und einem Prozesswerkzeug sowie einer Personen-Schut zeinrichtung,
Figur 2 : eine erste Variante einer Personen- Schutzeinrichtung in Form einer
Entkoppelungseinrichtung in einer abgebrochenen schematischen Seitenansicht,
Figur 3: eine detailliertere Darstellung der
Entkoppelungseinrichtung von Figur 2,
Figur 4 : eine weitere Variante der
Entkoppelungseinrichtung, Figur 5: eine Variante der Personen-Schutzeinrichtung mit einem nachgiebigen Schutzmittel und
Figur 6 bis 12: verschiedene weitere Varianten einer
passiven Entkoppelungseinrichtung in einer abgebrochenen schematischen Seitenansicht und
Figur 13: eine bevorzugte Ausführungsform eines taktilen, mehrachsigen Industrieroboters.
Die Erfindung betrifft eine Arbeitsvorrichtung (1) und ein Arbeitsverfahren .
Die Arbeitsvorrichtung (1) und das Arbeitsverfahren sind für eine Zusammenarbeit mit einem Werker (6) sowie für eine sog. Mensch-Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) gemäß der eingangs genannten Normen vorgesehen und ausgebildet.
Die Arbeitsvorrichtung (1) weist gemäß Figur 1 einen mehrachsigen Industrieroboter (2) mit einem
Prozesswerkzeug (3) auf. Der Industrieroboter (2) ist als taktiler Roboter ausgebildet. Er weist eine zugeordnete, Belastungen aufnehmende Sensorik (11) auf. Die
Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere der Industrieroboter (2), kann eine Steuerung (26) aufweisen. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Figur 13 dargestellt und wird später erläutert. Der Industrieroboter (2) und das
Prozesswerkzeug (3) können auch mehrfach vorhanden sein. Das Prozesswerkzeug (3) kann ggf. mittels einer
Wechselkupplung getauscht werden.
Das Prozesswerkzeug (3) kann beliebig ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um ein
GreifWerkzeug zu Montagezwecken. Alternativ ist eine
Ausbildung als Fügewerkzeug, Auftragewerkzeug,
Umformwerkzeug oder dgl . möglich.
Im Bereich des Prozesswerkzeugs (3) ist eine Personen- Schutzeinrichtung (4) angeordnet. Diese kann auch als MRK- Schut zvorrichtung bezeichnet werden. Figur 2 bis 12 zeigen hierzu verschiedene Ausführungsformen.
In den Ausführungsbeispielen von Figur 2 bis 5 ist die Personen-Schutzeinrichtung (4) steuerbar. Figur 6 bis 12 zeigen eine Variante der Personen-Schutzeinrichtung (4), die passiv und permanent in Funktion ist.
Die steuerbare Personen-Schutzeinrichtung (4) weist einen Aktor (5) zu ihrer Aktivierung und Deakt ivierung auf. Die aktivierte Personen-Schutzeinrichtung (4) erlaubt bei einem Kontakt mit dem Werker (6) eine eigene
Ausweichbewegung oder eine Ausweichbewegung des
Prozesswerkzeugs (3) oder eines Werkzeugteils und hat hierfür entsprechende nachgiebige Eigenschaften.
Die Personen-Schutzeinrichtung (4) kann durch den Aktor (5) bei einer Zuführbewegung des Industrieroboters (2) aktiviert werden. Eine Zuführbewegung kann eine beliebige
Annäherungsbewegung an einen Arbeits- oder Prozessort sein. Bei einer Prozessbewegung, insbesondere bei einem Greifprozess oder Bearbeitungsprozess an der Arbeits- oder Prozessstelle und ggf. an einem Werkstück, ist die
Personen-Schutzeinrichtung (4) deaktiviert.
Die Personen-Schutzeinrichtung (4) kann mittels einer Leitung oder drahtlos mit der Steuerung (26) verbunden sein. Dies ist vorzugsweise die Robotersteuerung des Industrieroboters (2) . Sie kann in den Industrieroboter
(2) integriert oder extern angeordnet sein. Die Steuerung (26) kann die Personen-Schutzeinrichtung (4), insbesondere deren Aktor (5) , situationsbezogen und in Abhängigkeit vom Prozessablauf steuern.
In den Varianten von Figur 2 bis 4 ist die Personen- Schutzeinrichtung (4) als steuerbare bzw. aktivierbare und deaktivierbare Entkoppelungseinrichtung (17) ausgebildet, mit der im aktivierten Zustand die bei einem
Personenkontakt wirkende Masse reduziert werden kann.
Figur 6 bis 12 zeigen die Variante einer passiven
Entkoppelungseinrichtung (17'), die permanent in Funktion ist . Diese wirksame Masse wird in der MRK-Praxis auch als reflektierte Masse bezeichnet. Sie wird bestimmt durch die Masse und den Massenschwerpunkt, die vom Industrieroboter mit einer sog. Robotergeschwindigkeit bewegt werden und im Kollisionsfall auf den Körper treffen. Die steuerbare und die passive Entkoppelungseinrichtung (17,17') ist jeweils zwischen den zu entkoppelnden Teilen angeordnet. Sie kann z.B. zwischen dem Prozesswerkzeug (3) und dem Industrieroboter (2) angeordnet sein, wie dies in Figur 2 bis 4 und Figur 6 bis 12 dargestellt ist.
Alternativ kann die Entkoppelungseinrichtung (17,17') an anderer Stelle, z.B. zwischen Teilen des Prozesswerkzeugs (3) angeordnet sein. Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der steuerbaren Entkoppelungseinrichtung (17) und der passiven
Entkoppelungseinrichtung (17').
Durch die aktivierte Entkoppelungseinrichtung (17) kann das Prozesswerkzeug (3) vom Industrieroboter (2) derart entkoppelt werden, dass zwischen diesen Teilen (2,3) eine Relativbewegung möglich ist. Hierdurch reduziert sich die bei einem Personenkontakt wirkende bzw. die reflektierte Masse auf die Masse und den Massenschwerpunkt des
Prozesswerkzeugs (3) . Die wesentlich größere Masse des Industrieroboters (2) ist entkoppelt. Gleiches gilt für die passive und permanent in Funktion befindliche Variante der Entkoppelungseinrichtung (17') von Figur 6 bis 12. Außerdem kann der Industrieroboter (2) in den Varianten von Figur 2 bis 4 und Figur 6 bis 12 das Prozesswerkzeug (3) bei seiner Zustellbewegung zum Arbeits- oder
Prozessort in einer zur Belastungsreduzierung und für das Ansprechen der Entkoppelungseinrichtung (17,17') günstigen Ausrichtung, z.B. nach unten hängend, führen und
transportieren .
Über die Massenreduzierung kann in den Varianten von Figur 2 bis 4 und Figur 6 bis 12 der bei einem Personenkontakt wirkende Impuls und die hiervon ausgehende Körperbelastung und Verletzungsgefahr gemindert werden. Der Impuls
berechnet sich nach der reflektierten Masse und der Geschwindigkeit, mit der sie vom Industrieroboter (2) bewegt wird.
Andererseits kann durch die Massenreduzierung in den Varianten von Figur 2 bis 4 unter Einhaltung der eingangs genannten Belastungs-Grenzwerte die Robotergeschwindigkeit entsprechend erhöht werden. Bei deaktivierter
Entkoppelungseinrichtung (17) sind die Teile (2,3) wieder gekoppelt. Sie sind dabei bevorzugt starr und
positionsgenau miteinander verbunden. Entsprechendes gilt für die passive und permanent in Funktion befindliche Variante der Entkoppelungseinrichtung (17') von Figur 6 bis 12. Die steuerbare Entkoppelungseinrichtung (17) von Figur 2 bis 4 weist Schnittstellen (24,25) zur Verbindung mit den zu entkoppelnden Teilen auf. In den gezeigten
Ausführungsbeispielen sind diese Teile der
Industrieroboter (2), insbesondere sein Abtriebsglied (10), und das Prozesswerkzeug (3). Die Schnittstellen
(24,25) können konstruktiv in beliebiger Weise, z.B. als Flansche oder Anbauplatten, ausgebildet sein.
Die Entkoppelungseinrichtung (17) weist ferner eine steuerbare Kupplung (20) zum starren Verbinden und Lösen der zu entkoppelnden Teile (2,3) auf. Die steuerbare
Kupplung (20) kann in diesem Fall den Aktor (5) bilden.
Sie ist zwischen den Schnittstellen (24,25) angeordnet und mit diesen zur Kraft- und Bewegungsübertragung verbunden. Bei Aktivierung der Entkoppelungseinrichtung (17) ist die
Kupplung (20) geöffnet und die zu entkoppelnden Teile (2,3) sind gelöst sowie relativ zueinander beweglich. Bei
Deaktivierung sind sie starr miteinander verbunden und die
Kupplung ist geschlossen. Die Kupplung (20) ist selbst zentrierend ausgebildet und weist einen steuerbaren Antrieb zum Lösen und Schließen auf. Die Kupplung (20) besitzt zwei oder mehr
Kupplungsteile (21,22), von denen das eine Kupplungsteil (21) z.B. mit dem Industrieroboter (2) bzw. der
Schnittstelle (24) und das andere Kupplungsteil (22) mit dem Prozesswerkzeug (3) bzw. der Schnittstelle (25) verbunden ist. Die Kupplungsteile (21,22) sind mit dem Kupplungsantrieb verbunden und können zum Lösen außer Eingriff gebracht, z.B. voneinander distanziert werden, so dass eine Relativbewegung der Kupplungsteile (21,22) bei einem evtl. Körperkontakt möglich ist. In Schließstellung der Kupplung (20) stützen sich die bevorzugt formschlüssig ineinander greifenden Kupplungsteile (21,22) in den verschiedenen Ausführungsformen jeweils aneinander ab und bilden eine starre Einheit.
Die Entkoppelungseinrichtung (17) besitzt ein nachgiebiges Haltemittel (18) zum Führen der entkoppelten Teile (2,3), insbesondere der damit verbundenen Kupplungsteile (21,22) . Das nachgiebige Haltemittel (18) bewirkt einerseits eine verliersichere mechanische Verbindung der entkoppelten Teile (2,3) bzw. der gelösten Kupplungsteile (21,22) und erlaubt andererseits eine Relativbewegung zwischen den entkoppelten Teilen (2,3) bzw. den gelösten
Kupplungsteilen (21,22) . Diese Relativbewegung kann mehrachsig sein und eine Richtungskomponente in
Axialrichtung der Kupplung (20) und eine andere
Richtungskomponente in Querrichtung haben.
In Figur 2 und 3 ist das nachgiebige Haltemittel (18) als Feder (19), insbesondere als bevorzugt zylindrische
Schraubenfeder, ausgebildet, die auf den z.B.
zylindrischen Kupplungsteilen (21,22) aufgezogen ist und an ihren Enden mit jeweils einer Schnittstelle (24,25) verbunden sein kann. Die Entkoppelungseinrichtung (17) kann außerdem ein
Trennmittel (23) zum aktiven Lösen und Trennen der
Kupplungsteile (21,22) aufweisen. Die Feder (19) kann als Druckfeder ausgebildet sein und ebenfalls eine solche Löse- und Trennfunktion haben. Das Trennmittel (23) kann zusätzlich vorhanden sein. Es kann z.B. als pneumatischer oder hydraulischer Zylinder oder dgl . ausgebildet sein. Es kann ebenfalls von der Steuerung (26) beaufschlagt werden. Zudem kann die Entkoppelungseinrichtung (17) eine
Detekt ionseinrichtung (27) aufweisen, die ein Ansprechen des Entkoppelungselement s (28) im Kollisionsfall und eine Relativbewegung der Schnittstellen (24,25) erfasst. Sie ist in Figur 2 schematisch angedeutet und kann auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Die
Detekt ionseinrichtung (27) kann z.B. als berührungsloser Abstandssensor oder dgl. ausgebildet sein und ist mit der Steuerung (26) verbunden. Die Kupplung (20) kann in unterschiedlicher Weise
ausgebildet sein. In Figur 3 ist eine Magnetkupplung schematisch dargestellt, die unterschiedlich ausgebildet sein kann. Die Entkoppelungseinrichtung (17) wird dabei in unterschiedlicher Weise aktiviert und deaktiviert.
Die Magnetkupplung (20) kann in einer Ausführung einen steuerbaren Elektromagnet an mindestens einem
Kupplungsteil (21,22) aufweisen. Er bewirkt die Aktor- Funktion. Beim Einschalten werden die selbst zentrierend ausgebildeten Kupplungsteile (21,22) durch Magnetkraft aufeinander zubewegt und aneinander gehalten. Die
Entkoppelungseinrichtung (17) wird dadurch deaktiviert. Beim Ausschalten können die Kupplungsteile (21,22) durch die Feder (19) und ggf. das Trennmittel (23) voneinander gelöst und ggf. distanziert werden, wobei die
Entkoppelungseinrichtung (17) aktiviert wird. Die
selbst zentrierenden Kupplungsteile (21,22) können an der Kontaktstelle eine gegenseitig angepasste und z.B.
komplementäre Kontur mit axialen Vorsprüngen und
Vertiefungen aufweisen und eine formschlüssige Verbindung miteinander eingehen.
In einer anderen Ausführung sind zwei oder mehr magnetisch leitfähige Kupplungsteile (21,22) vorhanden, von denen eines z.B. als Permantenmagnet ausgebildet ist und das andere aus einem ferromagnet ischen Material besteht oder ebenfalls ein Permanentmagnet mit umgedrehter Polung ist. Die Magnetkraft verbindet und hält die Kupplungsteile (21,22), wobei die Entkoppelungseinrichtung (17)
deaktiviert wird. Das steuerbare Trennmittel (23) wirkt in seiner Aktorfunktion gegen die Magnetkraft und löst für eine Aktivierung der Entkoppelungseinrichtung (17) die Kupplungsteile (21,22) voneinander.
Alternativ kann die Kupplung (20) auch als mechanische oder fluidische Kupplung mit einem mechanischen oder elektrischen Antrieb oder einem fluidischen, insbesondere pneumatischen oder hydraulischen, Antrieb zum
gegenseitigen Annähern und zum festen Zusammenhalt der Kupplungsteile (21,22) ausgebildet sein. Figur 4 zeigt eine Variante der Kupplung (20), die ein Kugelgelenk mit einer Kugelschalenführung an den
Kupplungsteilen (21,22) aufweist. Hierbei sind
geringfügige Axialbewegungen und Relativdrehungen der Kupplungsteile (21,22) relativ zueinander möglich. Der Antrieb zum Schließen der Kupplung (20) kann in beliebiger Weise ausgebildet sein und eine Zentriereinrichtung aufweisen, mit der das Kugelgelenk und die Kugelschale in eine definierte und formschlüssig abgestützte Position zueinander gebracht werden können. Figur 4 zeigt auch eine Variante des nachgiebigen
Haltemittels (18). Es kann z.B. als biegeelastische Hülse oder Schlauch ausgebildet sein. In einer weiteren, nicht dargestellten Abwandlung kann das nachgiebige Haltemittel (18) auch von mehreren Seilen, Ketten oder dgl . gebildet werden. Auch Teleskopstangen sind möglich.
Figur 5 zeigt eine weitere Abwandlung der steuerbaren Personen-Schutzeinrichtung (4). Diese weist ein
bewegliches sowie nachgiebiges Schutzmittel (12) mit einem Stellantrieb (15) auf und dient zur Abschirmung des
Prozesswerkzeugs (3) oder eines Teils des
Prozesswerkzeugs. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Schutzmittel (12) linear ausfahrbar. Es kann alternativ geschwenkt oder in anderer Weise zwischen einer eingefahrenen oder zurückgezogenen Ruhestellung und einer ausgefahrenen Arbeits- oder Schutzstellung bewegt werden.
Das nachgiebige Schutzmittel (12) ist z.B. als
biegeelastische Hülle oder Hülse ausgebildet, welche das vorstehende Endteil des Prozesswerkzeugs (3) schützend umschließt. Das Endteil kann z.B. als Schweißdüse,
Schraubkopf, Greiferarm oder dgl. ausgebildet sein. Der Stellantrieb (15) kann den Aktor (5) bilden. Er schiebt zur Aktivierung der Personen-Schutzeinrichtung (4) die Hülse (13) oder ein anderes Schutzmittel (12) in die gezeigte Arbeitsstellung aus, wodurch das besagte
Werkzeugendteil umschlossen und abgeschirmt ist. Ein
Personenkontakt kann dann nur noch am nachgiebigen bzw. flexiblen Schutzmittel (12) erfolgen. Durch diese
Nachgiebigkeit wird ebenfalls die Körperbelastung bei einem Kontakt gemindert und die Verletzungsgefahr
reduziert. Im Gegenzug kann ggf. die
Robotergeschwindigkeit erhöht werden. Zum Deaktivieren für die Prozess- und Bearbeitungsfunktion des Prozesswerkzeugs (3) wird das Schutzmittel (12) vom Stellantrieb (15) wieder in die Ruhestellung zurückbewegt und das
Werkzeugendteil freigegeben.
Die anderen Bereiche des Prozesswerkzeugs (3) können ihrerseits mit einem Gehäuse (16) aus einem weichen und bei Körperkontakt nachgiebigen Material, z.B. einem
KunstStoffschäum, umschlossen sein. Das Gehäuse (16) kann fest am Prozesswerkzeug (3) angeordnet sein und mindert ebenfalls die Körperbelastungen und die Verletzungsgefahr im Kontaktfall.
Das nachgiebige Schutzmittel (12) kann ferner einen
Federkopf (14) aufweisen, der bei Personenkontakt
ausweicht. Der Federkopf (14) ist z.B. an dem Frontende des Schutzmittels (12) angeordnet und besteht ebenfalls aus einer Hülse, die auf dem Schutzmittel (12) längs beweglich geführt ist und mittels einer oder mehrerer Federn am Schutzmittel (12) in Axialrichtung abgestützt ist. Der Federkopf (14) kann außerdem mit einer
Detektionseinrichtung (27), z.B. einem Bewegungssensor oder dgl . ausgerüstet sein, mit dem ein Körperkontakt und eine Ausweichbewegung des Federkopfes (14) detektiert werden können. Der Federkopf (14) ist ein zusätzliches
Sicherheitsmerkmal, welches ergänzend zum Schutzmittel (12) wirkt. Das Schutzmittel (12) kann dadurch eine höhere axiale Steifigkeit haben, die durch den Federkopf (14) kompensiert wird. Der Federkopf (14) kann auch eine Art Entkoppelungseinrichtung darstellen und kann bei einem axialen Körperkontakt selbst die nur noch sehr kleine reflektierte Masse bilden.
Die passive Entkoppelungseinrichtung (17') von Figur 6 bis 12 weist ebenfalls Schnittstellen (24,25) zur Verbindung mit den zu entkoppelnden Teilen auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen sind diese Teile der Industrieroboter (2), insbesondere sein Abtriebsglied (10), und das Prozesswerkzeug (3) . Die Schnittstellen (24,25) können konstruktiv in beliebiger Weise, z.B. als Flansche oder Anbauplatten, ausgebildet sein.
Zwischen den Schnittstellen (24,25) und mit
kraftübertragender Verbindung hierzu ist ein
Entkoppelungselement (28) angeordnet, welches
unterschiedlich ausgebildet sein kann. Zudem kann die Entkoppelungseinrichtung (17') ebenfalls eine
Detekt ionseinrichtung (27) aufweisen, die ein Ansprechen des Entkoppelungselement s (28) im Kollisionsfall und eine Relativbewegung der Schnittstellen (24,25) erfasst. Sie ist in Figur 6 schematisch angedeutet und kann auch in den anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Die
Detekt ionseinrichtung (27) kann z.B. als berührungsloser Abstandssensor oder dgl . ausgebildet sein.
In der Ausführungsform von Figur 6 ist das
Entkoppelungselement (28) als Federanordnung (29)
ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine Einzelfeder, die z.B. als metallische
Schraubenfeder, ggf. als Druckfeder, ausgebildet ist.
Durch die Federanordnung (29) sind Relativbewegungen zwischen den zu entkoppelnden Teilen (2,3) möglich.
Alternativ kann die Einzelfeder auch in anderer Weise ausgebildet sein.
Figur 7 zeigt eine Variante der Federanordnung (29), die hier als Federpaket ausgestaltet ist. Dieses besteht aus mehreren axial ausgerichteten und jeweils endseitig mit den Schnittstellen (24,25) verbundenen metallischen
Einzelfedern, z.B. Schraubenfedern bzw. Druckfedern. Diese können in einem Ring oder in einem beliebigen flächigen Raster angeordnet sein und sorgen für die besagte
Entkoppelung der Teile (2,3) . In Figur 8 ist eine weitere Variante einer Federanordnung (29) dargestellt, die wiederum als Federpaket ausgebildet ist. In diesem Fall sind die besagten Einzelfedern schräg angeordnet und bilden ein konisches Federpaket. Auch hier ist eine Ring- oder Rasteranordnung möglich. Endseitig sind die Einzelfedern jeweils mit einem Stützring
verbunden, der z.B. aus einem elastomeren Kunststoff besteht. Durch die längs der axialen Verbindungslinie zwischen den Schnittstellen (24,25) ausgerichteten
Konusform wird eine größere Querstabilität als bei der vorherigen Variante von Figur 7 erzielt. Die Konusform kann unterschiedlich ausgebildet sein. Im gezeigten und bevorzugten Ausführungsbeispiel verjüngt sie sich von der Roboterseite ausgehend hin zum Prozesswerkzeug (3) . Die Schnittstellen bzw. Flansche (24,25) können
unterschiedliche Größen entsprechend der Konusverjüngung aufweisen .
Figur 9 zeigt eine Variante, in der das
Entkoppelungselement (28) als Magnetkupplung (32)
ausgebildet ist. Sie besteht aus zwei oder mehr magnetisch leitfähigen Kupplungsteilen, von denen eines z.B. als Permantenmagnet ausgebildet ist und das andere aus einem ferromagnet ischen Material besteht oder ebenfalls ein Permanentmagnet mit umgedrehter Polung ist. Die
Kupplungsteile können an der Kontaktstelle eine
gegenseitig angepasste und z.B. komplementäre Kontur mit axialen Vorsprüngen und Vertiefungen aufweisen und eine formschlüssige Verbindung miteinander eingehen. Im
Kollisionsfall kann die magnetische Haltekraft überwunden werden, wodurch die Kupplungsteile sich relativ zueinander bewegen und voneinander ggf. trennen können. Um ein
Auseinanderfallen der Magnetkupplung (32) im
Entkoppelungsfall zu vermeiden, können ein oder mehrere nachgiebige Haltemittel (18') vorhanden sein, die z.B. zwischen den Kupplungsteilen und/oder zwischen den
Schnittstellen (24,25) angeordnet sind. Die nachgiebigen Haltemittel (18 ') können z.B. als Seile oder Ketten ausgebildet sein. Sie können andererseits aus einem biegeelastischen und ggf. auch axial federelastischen Material bestehen und können z.B. als flexible Hülse ausgeführt sein, welche die Magnetkupplung (32)
außenseitig umgibt.
In der Variante von Figur 10 ist das Entkoppelungselement (28) als Kugelgelenk (30) ausgestaltet, welches einen Kugelkopf und eine Kugelschale aufweist, die mit der jeweils benachbarten Schnittstelle (24,25) fest verbunden sind. Über das Kugelgelenk (30) sind zur Entkoppelung Drehbewegungen möglich. Über Reibung oder andere geeignete Maßnahmen kann dabei eine Haftwirkung oder ein sonstiger Widerstand erzeugt werden, der solche Drehbewegungen erst bei Auftreten einer vorgegebenen Kollisions- bzw.
Reaktionskraft im Kollisionsfall ermöglichen.
In der Ausführungsform von Figur 11 wird das
Entkoppelungselement (28) von ein oder mehreren
Überlastelementen (31) gebildet, die im Kollisionsfall bei Auftreten einer hinreichenden großen Kollisions- bzw.
Reaktionskraft in geeigneter Weise nachgeben. Dies kann z.B. ein Abbrechen oder anderweitiges Zerstören des oder der Überlastelemente (31) sein. Andererseits kann ein
Überlastelement (31) auch aus einem federelastischen und z.B. gummiartigen Material bestehen, welches sich im
Belastungs- und Entkoppelungsfall verformt. Für die Verliersicherheit kann bei dieser, wie auch den anderen geeigneten Ausführungsformen ein nachgiebiges Haltemittel (18') vorhanden sein (nicht dargestellt), welches die Relativbewegung beim Entkoppeln ermöglicht und ein unkontrolliertes Auseinanderfallen der zu
entkoppelnden Teile (2,3) verhindert. Figur 12 zeigt eine weitere Variante, in der das
Entkoppelungselement (28) von der Kombination eines
Kugelgelenks (30) mit einem oder mehreren
Überlastelementen (31) gebildet wird. Die Überlastelemente (31) stabilisieren das Kugelgelenk (30) bis zum Auftreten einer vorbestimmten Kollisions- bzw. Reaktionskraft im Kollisionsfall, wobei sie dann nachgeben und das
Kugelgelenk (30) für eine kontrollierte drehende
Entkoppelungsbewegung sorgt.
Der Industrieroboter (2) weist in den Ausführungsformen von Figur 1 und 13 mehrere untereinander verbundene
Glieder (7,8,9,10) auf und kann an seinem Abtriebsglied (9) das Prozesswerkzeug (3) tragen. Der Industrieroboter (2) kann mehrere rotatorische und/oder translatorische
Achsen in beliebiger Kombination und Ausbildung haben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist er als Gelenkarmroboter ausgebildet, der ein Basisglied (7) oder einen Sockel und einen daran schwenkbar um eine Horizontalachse gelagerten Roboterarm (8) aufweist. An dessen freien Ende kann ein weiterer Roboterarm (9) um eine horizontale Achse
schwenkbar gelagert sein, der seinerseits am freien Ende das schwenkbare Abtriebsglied (10) trägt, welches z.B. als mehrachsige Roboterhand ausgebildet sein kann. Der besagte Sockel kann außerdem um eine aufrechte Achse gegenüber dem Untergrund drehen. Die Roboterarme (8,9) können gemäß Figur 13 mehrteilig und in sich verdrehbar mittels Achsen (III) und (V) ausgebildet sein. Der Industrieroboter (2) in Figur 13 hat z.B. sieben Roboterachsen (I - VII) .
Der Industrieroboter (2) kann als mehrachsiger oder mehrgliedriger Roboter in konventioneller Bauform
ausgebildet sein und kann positionsgesteuerte Achsen bzw. Achsantriebe aufweisen. Ein solcher Industrieroboter (2) bedarf besonderer MRK-Schut zmaßnahmen, um Anforderungen eines Unfallschutzes zu genügen. Dies kann z.B. eine
Bewegungs- und Arbeitsraumüberwachung mit optischen Erfassungssystemen oder dgl . stattfinden. Außerdem sind externe Abschirmmaßnahmen durch eine weitläufige
Einhausung, einen Zaun oder dgl. möglich. Vorzugsweise ist der Industrieroboter (2) als taktiler
Roboter ausgebildet und weist eine externe oder
integrierte Sensorik (11) auf, die von außen auf den Industrieroboter (2) einwirkende Belastungen aufnimmt und auswertet. Eine externe Sensorik kann z.B. zwischen dem Industrieroboter (2) und dem Prozesswerkzeug (3)
angeordnet sein. Bevorzugt wird gemäß Figur 1 und 13 die integrierte Sensorik (11) . Sie nimmt die an einer
Roboterachse (I - VII) einwirkende Belastungen auf. Alternativ oder zusätzlich kann eine andere MRK-Sensorik am Industrieroboter (2) und/oder am Prozesswerkzeug (3) angeordnet sein, die drohende Kollisionen detektiert und die z.B. als Näherungssensor ausgebildet ist. Der taktile Industrieroboter (2) kann eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen, insbesondere Achsantrieb (e) , aufweisen. Vorzugsweise sind alle Roboterachsen (I - VII) kraftgesteuert oder
kraftgeregelt . Dies ermöglicht eine steuerbare oder regelbare Reaktion auf von außen einwirkende Belastungen.
Bevorzugt hat der taktile Industrieroboter (2) mindestens eine nachgiebige Roboterachse (I - VII) mit einer
Nachgiebigkeitsregelung. Vorzugsweise haben alle
Roboterachsen (I - VII) eine Nachgiebigkeitsregelung. Die Nachgiebigkeitsregelung kann z.B. eine reine Kraftregelung oder eine Kombination aus einer Positions- und
Kraftregelung des Achsantriebs der jeweiligen Roboterachse (I - VII) sein. Eine solche Ausbildung ist in Kombination mit einer integrierten Sensorik (11) besonders vorteilhaft, wobei z.B. an den Roboterachsen bzw. den dortigen Achslagern ein oder mehrere, die von außen einwirkenden Kräfte und/oder Momente aufnehmende Sensoren angeordnet sind. Ferner können wegaufnehmende Sensoren vorhanden sein.
Ein taktiler Industrieroboter (2) kann in unterschiedliche Betriebsmodi geschaltet werden. Dies erlaubt
unterschiedliche Reaktionen auf das Auftreten von externen Belastungen, insbesondere von unterwarteten oder
unvorhergesehenen Belastungen. In einem solchen Fall kann der taktile Industrieroboter (2) z.B. in einen Federmodus geschaltet werden, in dem er der externen Belastung federnd ausweicht, bis die Belastung verschwindet.
Andererseits ist ein Umschalten in einen kraftlosen Modus möglich, in dem der Industrieroboter (2) bei Auftreten einer solchen externen Belastung stehen bleibt und sich erst nach Wegfall der Belastung weiterbewegt. In einem kraftlosen Modus kann der Industrieroboter (2) auch von Hand geführt und geteacht werden, in dem man z.B. an seinem Abtriebsglied (9) oder am Prozesswerkzeug (3) angreift. Die dabei auftretenden Roboter- und
Gliedbewegungen werden registriert und gespeichert, um auf dieser Basis ein Bahn- oder Bewegungsprogramm für den Roboterbetrieb generieren zu können.
Ein taktiler Industrieroboter (2) der vorbeschriebenen Art ist insbesondere bei einer Implementierung von
nachgiebigen Roboterachsen für eine Mensch-Roboter- Kooperation oder -Kollaboration (abgekürzt MRK) geeignet und vorgesehen bzw. ausgebildet. Er kann bei einem im Programmablauf nicht vorgesehenen oder unerwarteten
Berührungskontakt mit einer Person stehen bleiben, federnd ausweichen oder sich ggf. auch in einem anderen
Betriebsmodus aktiv rückwärts bewegen und dadurch eine Verletzung vermeiden oder zumindest mindern. Ein solcher taktiler Roboter kann z.B. gemäß der DE 10 2007 063 099 AI, DE 10 2007 014 023 AI oder DE
10 2007 028 758 B4 ausgebildet sein.
Der Industrieroboter (2) hat vorzugsweise ein relativ niedriges Gewicht von weniger als 100 kg, insbesondere 50 kg oder weniger. Er hat dabei auch eine entsprechend begrenzte Tragkraft. Der Industrieroboter (2) kann als Kleinroboter ausgebildet sein. Bevorzugt ist auch eine Ausbildung als Leichtbauroboter, der aus besonders leichtgewichtigen Materialien, insbesondere Kunststoff, zumindest in Teilen aufgebaut ist.
Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen
Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele und deren Abwandlungen beliebig miteinander kombiniert oder auch vertauscht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Arbeits orrichtung
2 Industrieroboter, taktiler Roboter
3 Prozesswerkzeug
4 MRK-Schut zeinrichtung, Personen-Schutzeinrichtung
5 Aktor
6 Werker
7 Glied, Basis, Sockel
8 Glied, Roboterarm
9 Glied, Roboterarm
10 Glied, Abtriebsglied, Roboterhand
11 Sensorik
12 Schutzmittel nachgiebig
13 Hülle, Hülse
14 Federkopf
15 Stellantrieb
16 Gehäuse
17 Entkoppelungseinrichtung
17 ' Entkoppelungseinrichtung
18 Haltemittel nachgiebig
18 ' Haltemittel nachgiebig
19 Feder
20 Kupplung
21 Kupplungsteil roboterseitig
22 Kupplungsteil werkzeugseitig
23 Trennmittel
24 Schnittstelle, Anbauteil an Roboter
25 Schnittstelle, Anbauteil an Werkzeug
26 Steuerung
27 Detektionseinrichtung, Sensor
27 ' Detektionseinrichtung, Sensor
28 Entkoppelungselement
29 Federanordnung, Einzelfeder, Federpaket
30 Kugelgelenk
31 Überlastelement
32 Magnetkupplung

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. ) Arbeitsvorrichtung mit einem für eine Mensch-
Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) gerüsteten Industrieroboter (2), der ein
Prozesswerkzeug (3) trägt, wobei der
Industrieroboter (2) mehrere beweglich, insbesondere drehbar, miteinander verbundene Glieder (7,8,9,10) und eine oder mehrere kraftgesteuerte oder
kraftgeregelte Roboterachsen (I - VII) mit einer integrierten, einwirkende Belastungen der jeweiligen Roboterachse (I - VII) erfassenden Sensorik (11) aufweist, und wobei ergänzend im Bereich des
Prozesswerkzeugs (3) eine Personen-Schutzeinrichtung
(4) angeordnet ist.
2. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen- Schutzeinrichtung (4) steuerbar ist und einen Aktor
(5) zur Aktivierung und Deaktivierung aufweist.
3. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die steuerbare Personen-Schutzeinrichtung in Bewegungssituationen, in denen eine Kollision mit einem Werker droht, aktiviert wird.
4. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Personen-Schutzeinrichtung (4) bei Zuführbewegungen aktiviert und bei Prozessbewegungen deaktiviert ist.
5. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen- Schutzeinrichtung (4) passiv und permanent in
Funktion ist.
6.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, , dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die aktivierte oder die passive Personen- Schutzeinrichtung (4) bei einem Körperkontakt mit einem Werker (6) eine Ausweichbewegung des
Prozesswerkzeugs (3) oder eines Werkzeugteils erlaubt und entsprechende nachgiebige Eigenschaften hat .
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen-Schutzeinrichtung (4) als steuerbare oder passive Entkoppelungseinrichtung (17,17') zur Reduzierung der bei Personenkontakt wirkenden Masse ausgebildet ist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Entkoppelungseinrichtung (17,17') zwischen den zu entkoppelnden Teilen, insbesondere zwischen dem Prozesswerkzeug (3) und dem Industrieroboter (2) und/oder zwischen Prozesswerkzeugteilen angeordnet ist . 9.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Entkoppelungseinrichtung (17,17') Schnittstellen (24,25) zur Verbindung mit den zu entkoppelnden Teilen (2,3) aufweist.
10.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die steuerbare Entkoppelungseinrichtung (17) eine steuerbare Kupplung (20) zum starren Verbinden und Lösen der zu entkoppelnden Teile aufweist.
11. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kupplung (20) selbst zentrierend ausgebildet ist und einen steuerbaren Antrieb aufweist.
12. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Entkoppelungseinrichtung (17) ein nachgiebiges Haltemittel (18) zum Führen der entkoppelten Teile (2,3), insbesondere der damit verbundenen
Kupplungsteile (21,22), aufweist.
13. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Entkoppelungseinrichtung (17) ein Trennmittel
(23) zum aktiven Lösen und Trennen der
Kupplungsteile (21,22) aufweist.
14. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das nachgiebige Haltemittel (18) als Feder
ausgebildet ist und mit den Kupplungsteile (21,22) zusammen wirkt. 15.) Arbeitsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die passive Entkoppelungseinrichtung (17') ein bei
Körperkontakt mit einem Werker (6) nachgebendes Entkoppelungselement (28) aufweist.
16.) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Entkoppelungseinrichtung (17') ein nachgiebiges und mit den Schnittstellen (24,25) verbundenes
Haltemittel (18') aufweist.
17. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Entkoppelungselement (28) als Federanordnung (29), insbesondere als Einzelfeder oder als Federpaket, ausgebildet ist.
18. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Entkoppelungselement (28) als Kugelgelenk (30) ausgebildet ist.
19. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Entkoppelungselement (28) als Überlastelement (31) ausgebildet ist.
20. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das
Entkoppelungselement (28) als Magnetkupplung (32) ausgebildet ist.
21. ) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die
Personen-Schutzeinrichtung (4) ein bewegliches, insbesondere ausfahrbares, nachgiebiges Schutzmittel
(12) mit einem als Stellantrieb (15) ausgebildeten Aktor (5) zur Abschirmung des Prozesswerkzeugs (3) oder eines Prozesswerkzeugteils aufweist. 22.) Arbeitsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass das nachgiebige Schutzmittel (12) als federelastische Hülle (13), insbesondere Hülse, 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 das nachgiebige Schutzmittel (12) einen bei Personenkontakt ausweichenden Federkopf (14) aufweist.
Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen-Schutzeinrichtung (4) eine
Detektionseinrichtung (27,27') zur Erfassung eines Personenkontakts oder eines Ansprechens der
Entkoppelungseinrichtung (17,17'), insbesondere des Entkoppelungselements (28), aufweist.
25.) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen-Schutzeinrichtung (4) so steif
ausgelegt ist, dass Kollisionen mit einem Werker durch den MRK-gerüsteten taktilen Industrieroboter
(2) weiterhin erkannt werden.
26. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Industrieroboter (2) mindestens eine nachgiebige
Roboterachse (I - VII) mit einer
Nachgiebigkeitsregelung, insbesondere einer reinen Kraftregelung oder einer Kombination aus Positions¬ und Kraftregelung, aufweist.
27. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die integrierte Sensorik (11) einen oder mehrere Sensoren, insbesondere Kraft- oder Momentensensoren, an einer oder mehreren Roboterachsen (I - VII), insbesondere an den dortigen Achslagern, aufweist.
28. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die integrierte Sensorik (11) einen oder mehrere wegaufnehmende Sensoren aufweist.
29. ) Arbeitsvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Arbeitsvorrichtung (1), insbesondere der
Industrieroboter (2), eine Steuerung (26) aufweist, die mit der Personen-Schutzeinrichtung (4) und ggf. mit der Detekt ionseinrichtung (27,27') verbunden ist .
30. ) Arbeitsverfahren, bei dem ein für eine Mensch- Roboter-Kooperation oder -Kollaboration (MRK) gerüsteter Industrieroboter (2) ein Prozesswerkzeug (3) trägt, wobei der Industrieroboter (2) mehrere beweglich, insbesondere drehbar, miteinander
verbundene Glieder (7,8,9,10) und eine oder mehrere kraftgesteuerte oder kraftgeregelte Roboterachsen (I
- VII) mit einer integrierten, einwirkende
Belastungen der jeweiligen Roboterachse (I - VII) erfassenden Sensorik (11) aufweist, und wobei die MRK-Sicherheit smaßnahmen des Industrieroboter (2) von einer im Bereich des Prozesswerkzeugs (3) angeordneten Personen-Schutzeinrichtung (4) ergänzt werden .
31. ) Arbeitsverfahren nach Anspruch 30, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass die Personen-
Schutzeinrichtung (4) gesteuert wird und mittels eines Aktors (5) aktiviert und deaktiviert wird.
32. ) Arbeitsverfahren nach Anspruch 30 oder 31, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die steuerbare
Personen-Schutzeinrichtung (4) in
Bewegungssituationen, in denen eine Kollision mit einem Werker droht, insbesondere bei
Zuführbewegungen, aktiviert wird.
33.) Arbeitsverfahren nach Anspruch 30, 31 oder 32, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die steuerbare Personen-Schutzeinrichtung (4) beim
Einsatz des Prozesswerkzeugs und der betreffenden Prozesssituation wieder deaktiviert wird.
34.) Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass bei einem Körperkontakt mit einem Werker (6) das
Prozesswerkzeug (3) oder ein Werkzeugteil mittels der aktivierten oder passiven Personen- Schutzeinrichtung (4) und deren nachgiebigen
Eigenschaften eine Ausweichbewegung durchführt. 35.) Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die bei einem Personenkontakt wirkende Masse mittels einer steuerbaren oder passiven Entkoppelungseinrichtung (17,17') der Personen-Schutzeinrichtung (4)
reduziert wird.
36. ) Arbeitsverfahren nach Anspruch 35, dadurch
g e k e n n z e i c h n e t, dass bei einer
Reduzierung der wirkenden Masse die
Robotergeschwindigkeit entsprechend erhöht wird.
37. ) Arbeitsverfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der MRK- gerüstete taktile Industrieroboter (2) bei einem im Programmablauf nicht vorgesehenen oder unerwarteten
Berührungskontakt mit einer Person stehen bleibt, federnd ausweicht oder sich auch aktiv rückwärts bewegt und dadurch eine Verletzung vermeidet oder zumindest mindert.
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