EP3419797A1 - Endeffektor-schutzsystem - Google Patents

Endeffektor-schutzsystem

Info

Publication number
EP3419797A1
EP3419797A1 EP17707300.4A EP17707300A EP3419797A1 EP 3419797 A1 EP3419797 A1 EP 3419797A1 EP 17707300 A EP17707300 A EP 17707300A EP 3419797 A1 EP3419797 A1 EP 3419797A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
end effector
protection system
manipulator
enveloping structure
protective
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Withdrawn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
EP17707300.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard ZUNKE
Julian STOCKSCHLÄDER
Johannes LACHNER
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 EP3419797A1 publication Critical patent/EP3419797A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • 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
    • B25J19/0075—Means for protecting the manipulator from its environment or vice versa
    • 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
    • B25J19/0091—Shock absorbers

Definitions

  • the present invention relates to an end effector protection system for wrapping an end effector of a manipulator, which end effector protection system is particularly suitable for use in human-robot collaboration.
  • MRK human-robot collaboration
  • the MRK advantageously combines both strengths.
  • MRK systems are u. a. to call manually guided manipulators and assistant robots.
  • the former include manipulators that are hand-controlled (for example, directly or via telemanipulation)
  • loads can be offset.
  • Assist robots are manipulators with which an operator interacts without a guards.
  • the manipulators may carry dangerous end-effectors, such as tools that are partially sharp-edged or pointed, or rotate at high speeds. This is for example
  • sensors can be used, for example, to locate a human in the vicinity of a manipulator.
  • ultrasonic sensors can be used.
  • too Capacitive distance sensors can be used to detect the presence of a human. If a person has been detected in the immediate vicinity of the manipulator, it can be responded differently. For example, the operating speed of the manipulator can be reduced in order to give the human the opportunity to react to the movements of the manipulator.
  • mechanical protective structures which shield the end effector.
  • These mechanical protective structures are typically spring-loaded or un-stored casings and can be displaced by applying a sufficiently high counterforce and release the end effector. This counterforce can also be applied, for example, to an unwanted collision of the manipulator or manually by a human, so that only a conditional protection is provided.
  • Manipulators such as articulated robots, can be secured to reduce the risk of accidents and injury in, for example, MRK systems. Further, it is an object of the present invention to provide manipulator systems for safe use in MRI systems.
  • an end effector protection system for at least partially enveloping an end effector of a manipulator, which end effector protection system has at least one envelope structure, which is adapted to at least partially envelop the end effector of the manipulator.
  • the enveloping structure is movably arranged in order to be able to set the degree of the envelope of the end effector, and the end effector protection system also has at least one speed-dependent one
  • Damping element which is associated with the enveloping structure, and is adapted to counteract a movement of the enveloping structure as a function of speed.
  • end effector here includes all tools, objects or devices that can be used by a robot or manipulator for machining a workpiece. Enveloping an end effector generally reduces the accessibility or accessibility of the end effector from the outside.
  • the end-effector protection system has an enveloping structure which is set up to at least partially encase the end effector, in order to reduce the risk of
  • Tool thrusting direction across a distal end of the end effector provides effective mechanical protection for the end effector.
  • the enveloping structure provides protection of the end effector, since the latter is at least partially enveloped by the enveloping structure.
  • Damping properties can also allow a minimum movement. It is advantageous that the damping element a quick exposure of the end effector can prevent and ensure that the end effector, for example, is exposed only in a slow or controlled movement of the enveloping structure.
  • the manipulator is not or hardly braked and the clock frequency of the manipulator, respectively the end effector, is not degraded.
  • any damping elements can be used, which can generate a speed-dependent counterforce, which counteracts a movement of the enveloping structure against the tool pushing direction.
  • the movement of the enveloping structure can be done in different ways.
  • the enveloping structure can be displaceably mounted and so on
  • the enveloping structure can also be configured to be movable, and only a part of the enveloping structure can be moved.
  • the enveloping structure can be made compressible or deformable in order to be able to set the degree of the envelope of the end effector.
  • the enveloping structure may be substantially parallel to
  • Tool thrust direction A of the end effector to be movably arranged. If the enveloping structure is substantially parallel to the tool impact direction A of
  • the sheath structure may be axially displaced relative to the end effector to adjust the degree of sheath.
  • Tool thrust direction A is typically the positive Z direction of the End effector coordinate system.
  • a screwing tool is the
  • Tool impact direction for example, the axial direction of the rotating spindle, which points away from the tool tip.
  • the enveloping structure can have at least two protective elements, which are distributed uniformly around the end effector, wherein the protective elements are preferably arranged to be movable independently of one another.
  • the enveloping structure may have two protective elements facing each other, i. circumferentially distributed evenly. If the enveloping structure has, for example, three protective elements, then these can be circumferentially spaced apart by 120 °. An evenly uniform distribution allows even protection of the end effector from all sides. If the protective elements are arranged to be movable independently of one another, then the end effector can also be protected, for example if it is used on workpieces with uneven surfaces. For example, if a screw is screwed on a convex surface, some protective elements may protrude further in the tool pushing direction than other protective elements, since these are arranged to be movable independently of one another and thus follow the surface of the workpiece. This results in an envelope of the end effector, even when used, and for effective protection.
  • the protective elements can be arranged in at least two rows around the end effector, wherein the protective elements of a first row are preferably arranged circumferentially offset from the protective elements of a second row. Further preferably, the protective elements of the first and second rows partially overlap to a circumferentially complete
  • Protective elements allow to provide a complete enclosure of the end effector, which prevents the radial accessibility or accessibility of the end effector from the outside. At the same time, however, the end effector in the respective use is not hermetic by the workpiece to be machined and the
  • Sheath structure included. Enables the end effector to actively and / or passively cool during use and to divert cooling medium such as air or other known cooling media through the rows of protective elements.
  • a cooling lubricant for example, in the case of machining a workpiece be derived by means of the end effector a cooling lubricant.
  • an occupant may be protected from heat, UV light and / or spatter while allowing sufficient convection to protect the workpiece from overheating.
  • the at least two protective elements of the enveloping structure may comprise a rigid main body.
  • a rigid skin body may be made of metal or a plastic, for example.
  • Rigid main bodies provide a stable hull structure, reliably blocking the accessibility of the end effector. For example, it is possible to prevent the enveloping structure from being pierced by a tool and / or a workpiece guided by a person or another manipulator. Thus, the security can be further increased.
  • each speed-dependent damping element is preferably coupled to at least one protective element of the enveloping structure. If each of the protective elements assigned a separate damping element, the independent mobility can also be speed-dependent as described above. Likewise, for example, two protective elements one
  • Damping element assigned to allow a simple and simple construction of the end effector protection system.
  • the enveloping structure may further include a protective sheath to completely radially enclose the end effector along the tooling direction A.
  • a protective cover which completely radially surrounds the end effector along the tool impact direction, provides the highest possible protection.
  • the protective cover is open in the direction of the tool to open the insert
  • the protective cover can be made at least partially of a rigid and / or flexible material.
  • the protective cover may comprise a support structure covered with a flexible material, such as a fabric.
  • the protective cover can be made entirely of a rigid material, such as a plastic or a metal, or be made entirely of a flexible material, such as an elastomer or a textile fabric and a fleece.
  • a flexible protective cover can be stretched over the protective elements of the enveloping structure.
  • the enveloping structure and / or the at least two protective elements of the enveloping structure may have an elastic extension at its distal end.
  • rigid protective elements and / or enveloping structures are used, there is a risk of injuring or damaging a person or a workpiece as a result of the contact with the distal end of the protective elements and / or the enveloping structure.
  • a flexible end allows a gentle touchdown on one
  • the elastic extension may be irregular
  • the flexible extension is made of a silicone, an elastomer or a thermoplastic elastomer.
  • the flexible extension can be formed integrally with the protective element and / or the enveloping structure. For example, this can be done by
  • the flexible extension can also be a separate extension which is attached to the protective element and / or the enveloping structure by conventional means.
  • the enveloping structure may, in particular, have an expandable volume body and the volume of the volume body may be increased by filling with a medium, in particular with air, in order to be able to set the degree of the envelope of the end effector.
  • the expandable volume body is preferably designed as an inflatable body.
  • the enveloping structure corresponds to the solid or is identical to it.
  • the solid can be expanded by filling it with a medium, ie the enveloping structure or the solid is movably arranged.
  • the medium in different phases may be present.
  • the medium may be air, or even a fluid.
  • Air is generally preferred as the medium, since it is often available anyway in production processes or workshops in the form of compressed air and is also non-toxic, inexpensive and easily accessible.
  • the enveloping structure of the securing system can be set up such that the greater the volume of the volume body, the larger the degree of encasing the tool. Consequently, by filling the volume body with the medium, the envelope of the end effector is enlarged by the envelope structure, so that the accessibility of the end effector is reduced.
  • the bulk body advantageously encloses the end effector and / or an end effector area, even when the manipulator is at rest, thus protecting against possible injury or damage by the end effector. By emptying the volume body, it preferably collapses and releases the end effector in order to be able to use it.
  • the damping element may comprise a valve to drain the medium can. Does the damping element comprises a valve, or is the damping element formed as a valve, the damping element of a movement of the volume body, respectively the envelope structure
  • the envelope structure envelops the
  • End effector for example, in such a way that the enveloping structure protrudes beyond a distal end of the end effector in the tool thrust direction, and comes the envelope structure with an object in contact, decides the collision speed (or the speed of movement of the manipulator), if and / or how far the envelope structure due to the contact is moved against the tool pushing direction.
  • the medium can slowly escape from the volume body and the enveloping structure is moved counter to the tool pushing direction in order to reduce the degree of the envelope of the end effector.
  • the collision speed is above a certain limit speed, the medium can not escape quickly enough from the volume body and the enveloping structure is not or hardly moved counter to the direction of the tool impact.
  • the attachment ring can, for example, two
  • Endeffector protection system to attach to the manipulator.
  • Attachment is preferably by a clamp connection or a
  • the manipulator may have corresponding devices to the fixing ring on the manipulator directly by means of
  • end-effector protection system such as screws to attach.
  • Other fastening systems are also possible.
  • the end-effector protection system is releasably attached to the manipulator, it can be easily adapted or retrofitted to different end-effectors, for example.
  • the damping element may be a hydraulic or pneumatic shock absorber. Hydraulic or pneumatic shock absorbers are
  • pneumatic and / or hydraulic systems are often available to manipulators or in the manufacturing environment, so that the
  • Damping elements can be easily coupled with these systems, if necessary.
  • the hydraulic and / or pneumatic shock absorbers can be self-sufficient shock absorbers that do not need to be connected to a pneumatic and / or hydraulic system.
  • the end-effector protection system may further comprise a spring element which urges the envelope structure with a certain force into a position corresponding to a maximum degree of the envelope of the end-effector.
  • a spring element urging the enveloping structure with a certain force into the position in which a maximum degree of the envelope of the
  • the end effector protection system may further comprise at least two spring elements, wherein each spring element preferably has at least one
  • Protective element of the enveloping structure is coupled. If a separate spring element is assigned to each of the protective elements, then the mutually independent mobility, in particular the pushing back of the protective elements, can take place separately in order to provide the best possible covering, for example when the end effector is withdrawn from an uneven surface.
  • the protective elements may be in contact with a workpiece surface until the specific protective element has reached the maximum degree of cladding.
  • two protective elements may be assigned to a spring element in order to allow a simple and simple construction of the end-effector protection system.
  • the spring element may be a pneumatic spring, wherein the damping element is preferably formed integrally with the pneumatic spring.
  • the pneumatic spring may for example be a gas spring, preferably.
  • Pneumatic springs are characterized by a spring travel almost independent force and a small footprint. In addition, they enable the integration of a damping element. So very compact systems can be provided.
  • the spring element may be a metallic spring, an air spring and / or a plastic spring. Combinations of different spring elements are also possible.
  • a manipulator system comprising a manipulator, an end effector which is attached to the manipulator and preferably comprises a tool with a rotating spindle, and a
  • End effector protection system which at least partially envelops the end effector of the manipulator. Due to the end effector protection system, the manipulator system can be used in particular in MRC environments, so that manipulation between the manipulator and the human being is possible without posing a high risk to humans. Furthermore, this allows
  • Figure l is a schematic representation of a manipulator system
  • Figure 2 is a schematic representation of an end effector protection system
  • Figure 3A is a schematic representation of another end effector protection system
  • Figure 3B shows a protective cover for use in an end effector protection system
  • Figure 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the end effector protection system.
  • FIG. 1 shows a manipulator system 1, which comprises a manipulator 10, which is controlled by a control device 20.
  • the manipulator comprises an end effector 12, which is for example a screwing tool.
  • An end-effector protection system 300 is attached to the manipulator 10.
  • the end-effector protection system 300 comprises an enveloping structure, which will be explained in more detail with reference to FIGS. 2, 3A and 3B.
  • the enveloping structure encloses the end effector 12 at least partially.
  • the end effector 12 is protected from the environment and the manipulator 10 can be used in MRK systems, so that a person 50 in the immediate vicinity of the manipulator 10 without further protection devices, such as protective fences, with the
  • Manipulator 10 can work together.
  • End effector 12 may be configured to manipulate workpieces 32, such as by bolting.
  • the workpieces 32 can on a
  • Workpiece supply device 30 such as a conveyor belt, be provided.
  • FIG. 2 shows a similar end effector protection system 200 which is connected to the
  • Manipulator 10 may be attached.
  • the end effector protection system 200 is attached to the manipulator 10 by means of a mounting ring 210.
  • the manipulator 10 includes an end effector 12, which
  • the end effector 12 includes a free rotating spindle 14 which has a distal end 16 in the tool thrust direction A.
  • An envelope structure 230 protrudes beyond the distal end 16 of the end effector 12 in the direction of tool impact A by an amount z.
  • the sheath structure 230 is formed as a cylindrical sheath to radially protect the end effector.
  • the envelope structure 230 is movably configured to adjust the degree of wrapping of the end effector.
  • the enveloping structure 230 is designed to be axially displaceable.
  • the enveloping structure 230 is guided in the damping element 220.
  • the damping element 220 may be, for example, a pneumatic or hydraulic shock absorber.
  • a fluid or gas such as compressed air located in the damping element 220, is discharged outwardly through the opening 225 into a reservoir (not shown) ). Due to the properties of the fluid and / or the gas, the degree of movement of the envelope structure 230 is dependent on the collision velocity.
  • the force which counteracts the movement of the enveloping structure 230 counter to the tool impact direction A depends on the collision speed.
  • the enveloping structure 230 is coupled to the damping element 220 via a sealing ring 235.
  • the sealing ring 235 is used in
  • Damping element 220 as a piston.
  • the end effector protection system 200 includes a spring element 240 urging the enveloping structure 230 in the direction of the tool thrust direction A with a certain force, the spring force.
  • Fig. 3A shows another end effector protection system 300 which is connected to a
  • Manipulator 10 can be attached. End effector protection system 300 is attached to manipulator 10 by means of a split attachment ring 310.
  • the manipulator 10 includes an end effector 12, for example, a
  • the end effector protection system 300 includes two
  • Protective elements 332, 334 which envelop the end effector 12 of the manipulator 10 at least partially and circumferentially evenly distributed around the End effector 12 are arranged.
  • the protective elements 332, 334 are each coupled to speed-dependent damping elements 323, 324.
  • the end effector protection system 300 may include a protective sheath 350, which is preferably coupleable to the protective elements 332, 334.
  • the protective cover 350 includes 336 shots, which with the
  • the receptacles 336 may, as shown, be mounted on the outside of the protective cover. Likewise, the recordings can be mounted inside the protective cover. Furthermore, the receptacles may be formed integrally with the protective cover, for example as a bore in a wall of the protective cover.
  • the protective cover may be made of a rigid material and / or of a flexible material.
  • Fig. 4 the schematic operation of an end effector protection system 200, 300 is shown in a flow chart.
  • a first step 410 the manipulator is moved at a travel speed until it collides with an object and / or people in a step 420.
  • this step 420 it is determined by means of a control device 20 whether the collision has occurred in space or at a predetermined processing position.
  • step 421 When a collision is detected at a predetermined machining position, (step 421), and the collision velocity is less than one
  • the envelope structure may be moved in step 425 counter to the tool stroke direction A, so that the degree of wrapper is reduced and the end effector is partially exposed. Subsequently, the end effector can be used in step 427, so that, for example, a screw connection is possible.
  • the manipulator is moved further and the envelope structure returns to its original position so that in step 432 the end effector is protected and the manipulator can be moved at full speed.
  • step 422 If, however, a collision is detected in space (step 422), and is the
  • step 424 Traversing speed / the collision speed of the manipulator greater than the limit speed of the speed-dependent damping element (step 424), the damping element brakes the collision in step 426th
  • step 428 by means of the control device 20 of the Manipulator system 1 a collision are detected and in step 430 a suitable continuation of the manipulator are allowed. In step 432, the normal operation of the manipulator may be resumed.
  • the end effector can be used depending on the collision speed or be protected.
  • effective protection of people in the vicinity can be provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) zum zumindest teilweisen Umhüllen eines Endeffektors (12) eines Manipulators (10). Das System weist zumindest eine Hüllstruktur (230; 330) auf, welche dazu eingerichtet ist, den Endeffektor (12) des Manipulators (10) zumindest teilweise zu umhüllen, wobei die Hüllstruktur (230; 330) beweglich eingerichtet ist, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors (12) einstellen zu können. Auf diese Weise kann die vom dem Endeffektor ausgehende Verletzungsgefahr verringert bzw. beseitigt werden.

Description

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

Claims

Ansprüche 1 bis 16
1. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) zum zumindest teilweisen Umhüllen eines Endeffektors (12) eines Manipulators (10), aufweisend:
zumindest eine Hüllstruktur (230; 330), welche dazu eingerichtet ist, den Endeffektor (12) des Manipulators (10) zumindest teilweise zu umhüllen, wobei die Hüllstruktur (230; 330) beweglich eingerichtet ist, um den Grad der Umhüllung des Endeffektors (12) einstellen zu können; und
zumindest ein geschwindigkeitsabhängiges Dämpfungselement (220; 322, 324), welches der Hüllstruktur (230; 330) zugeordnet ist, und dazu eingerichtet ist, einer Bewegung der Hüllstruktur (230; 330) geschwindigkeitsabhängig entgegenzuwirken.
2. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach Anspruch 1, wobei die
Hüllstruktur (230; 330) im Wesentlichen parallel zur Werkzeugstoßrichtung (A) des Endeffektors (12) beweglich angeordnet ist.
3. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Hüllstruktur (230; 330) zumindest zwei Schutzelemente (332 > 334) aufweist, welche um den Endeffektor (12) umfänglich gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Schutzelemente (332, 334) bevorzugt unabhängig voneinander beweglich eingerichtet sind.
4. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach Anspruch 3, wobei die Schutzelemente (332, 334) in zumindest zwei Reihen um den Endeffektor (12) angeordnet sind, wobei die Schutzelemente (332, 334) einer ersten Reihe vorzugsweise umfänglich versetzt zu den Schutzelementen einer zweiten Reihe angeordnet sind, und wobei sich die Schutzelemente der ersten und der zweiten Reihe bevorzugt teilweise überdecken, um eine umfänglich vollständige
Hüllstruktur bereitzustellen.
5. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die zumindest zwei Schutzelemente der Hüllstruktur (230; 330) einen rigiden Hauptkörper umfassen.
6. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach dem vorangegangenen
Anspruch, wobei das Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) zumindest zwei geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselemente (322, 324) umfasst, und wobei jedes geschwindigkeitsabhängige Dämpfungselement (220; 322, 324)
vorzugsweise mit zumindest einem Schutzelement (332, 334) gekoppelt ist.
7. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Hüllstruktur (230; 330) weiterhin eine Schutzhülle (350), die insbesondere als zylindrische oder kegelstumpfförmige Schutzhülle (350) ausgebildet ist, aufweist, um den Endeffektor (12) entlang der
Werkzeugstoßrichtung (A) radial vollständig zu umschließen.
8. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Hüllstruktur (230; 330) in dem Dämpfungselement (220) geführt ist.
9. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Hüllstruktur und/oder die zumindest zwei Schutzelemente der Hüllstruktur (230; 330) an deren distalen Ende einen elastischen Fortsatz aufweist.
10. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Hüllstruktur einen expandierbaren Volumenkörper aufweist und das Volumen des Volumenkörpers durch Füllung mit einem Medium, insbesondere mit Luft, vergrößerbar ist, um den Grad der Umhüllung des
Endeffektors (12) einstellen zu können.
11. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) weiterhin einen Befestigungsring (210; 310) aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, das
Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) lösbar am Manipulator (10) anzubringen.
12. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Dämpfungselement (220; 322, 324) ein hydraulischer oder pneumatischer Stoßdämpfer ist.
13. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) weiterhin ein
Federelement (240) aufweist, welches die Hüllstruktur (230; 330) mit einer bestimmten Kraft in eine Stellung drängt, welche einem maximalen Grad der Umhüllung des Endeffektors (12) entspricht und/oder welches die Hüllstruktur (230; 330) mit einer bestimmten Kraft, der Federkraft, in Richtung einer
Werkzeugstoßrichtung (A) drängt.
14. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach Anspruch 12, wobei das Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) zumindest zwei Federelemente (240) umfasst, und wobei jedes Federelement (240) vorzugsweise mit zumindest einem Schutzelement (332, 334) der Hüllstruktur (230; 330) gekoppelt ist.
15. Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Federelement (240) eine pneumatische Feder ist, wobei das
Dämpfungselement (220; 322, 324) vorzugsweise integral mit der pneumatischen Feder ausgebildet ist.
16. Manipulatorsystem (1) umfassend
einen Manipulator (10);
einen Endeffektor (12), welcher an dem Manipulator (10) angebracht ist und vorzugsweise ein Werkzeug mit drehender Spindel (14) umfasst, und
ein Endeffektor-Schutzsystem (200; 300) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches den Endeffektor (12) des Manipulators (10) zumindest teilweise umhüllt.
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