JP6940683B2 - 障害物との取扱デバイスの衝突の検知 - Google Patents

Description

本発明は、障害物との取扱デバイスの衝突を検知するためのデバイスであって、障害物との衝突によって変形可能な柔軟性シェルによって包囲され、柔軟性支持構造を備える少なくとも１つのガス充満チャンバを備え、支持構造は、衝突中に働く力をシェルと一緒に機械的に減衰させる減衰要素を形成し、デバイスは、チャンバ内のガス圧力を測定するための圧力センサを更に備え、デバイスは、取扱デバイスの少なくとも第１及び第２の部分を覆うように取扱デバイスに装着可能である、デバイスに関する。

本発明は更に、このようなデバイスを製造するための方法に関する。

本発明は、上に述べられた種類の衝突検知デバイスを備える取扱デバイスであって、衝突検知デバイスは取扱デバイスの少なくとも第１及び第２の領域を覆い、取扱デバイスは、圧力センサの信号に応じて作動される緊急シャットダウン機能を有する、取扱デバイスにも関する。

導入部において述べられたタイプのデバイスは、例えば、国際公開第２０１６／０００００５Ａ１号において説明されており、静止した又は自律的に移動する取扱デバイス、特には、例えば製造、搬送、検査又はサービス・ロボットといった産業ロボット及びそのマニュピレータに対して、人及び静止した又は自律的に移動する障害物を保護するための触覚安全センサとして機能する。衝突検知のために、この安全センサ又は複数のこのような安全センサは、取扱デバイス及び／又はそのマニピュレータに装着される。国際公開第２０１６／０００００５Ａ１号において説明される安全センサは、基本的には、ガス又は空気充満チャンバを取り囲む気密シェルと、内部気圧センサとを備える。シェルの形状は、弾性的支持構造によって保持され、支持構造及びシェルは一緒にセンサの本体を形成する。支持構造は、寸法の安定性及び衝突中に働く力の機械的減衰を保証する。センサへの接触は、シェルの変形に、したがって、支持構造と一緒になったチャンバの圧縮につながり、これは、ひいては、シェル内の圧力における測定可能な増加につながる。特定の閾値より上への圧力増加は、その表面にセンサが装着された、保護されるべき取扱デバイスの停止につながる。

国際公開第２０１６／０００００５Ａ１号において説明される安全センサにおいて、各センサは、それ自体の圧力増加デバイスを有し、それによってセンサ・チャンバ内で所定の内部圧力が設定及び保持され得る。センサ・チャンバ内の過剰圧力は、シェルの気密性をテストするために役立つ。もしも損傷によってシェルに漏れがあり、それ故、安全センサがもはや適正に機能し得なくなったなら、このことは過剰圧力の漏れによって示され、安全センサからの対応する非常信号をもたらす。更には、安全センサの減衰特性は、弾性的支持構造の材料の選択に加えて、内部圧力のレベルによっても、ある程度まで調整され得る。

国際公開第２０１６／０００００５Ａ１号

しかしながら、従来技術において調整可能な内部圧力とともに提供される均一な支持構造は、デバイスの全体的エリアにおける減衰特性の十分な調整を常に保証するわけではないことが分かっている。従って、本発明は、センサの反応を保護されるべき作業プロセスの安全要件とより良好に合致させること、及びセンサの製造プロセスを単純化することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明は、初めに述べられたタイプのデバイスにおいて、基本的に、シェル及び支持構造が互いに一体的に形成され、第１及び第２のエリアにおいて相互に異なる減衰の度合いを提供することにある。シェル及び支持構造を互いに一体的に形成することによって、シェル及び支持構造は、単純な手法で単体として形成され得、特には、新奇で、それぞれの要件に適合された支持構造のための空間的構造が生み出され得る。本発明の好ましい実施例によると、シェル及び支持構造が、特には層になって、例えば選択的レーザー焼結によってなど、生成的製造プロセス（ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって製造される一体型の設計が達成される。生成的製造プロセスは、３Ｄプリンティング・プロセスとも称され、高い幾何学的複雑性を有する支持構造の生産を可能にする。

生成的製造方法の使用によって、第１及び第２の領域において相互に異なる減衰の度合いが提供されるようにシェル及び支持構造を形成することが、単純な手法で可能になる。特には、それぞれ必要とされる機械的減衰が取扱デバイスの表面の各セクションにおいて達成されるように、支持構造の構造及び剛性が局所的に選択され得る。保護されるべき作業プロセス又は保護されるべき取扱デバイスの安全要件、例えば、進行速度及び最大許容接触力などから、必要とされる減衰がもたらされる。

ここで、好ましくは、支持構造及び／又はシェルは、第１及び第２の領域において異なる減衰の度合いが提供されるように、局所的に変化されているものとされる。本発明による減衰の度合いのばらつきは、シェルの設計の局所的なばらつき、又は支持構造の設計の局所的なばらつき、又はこの両方によってもたらされ得、シェルの設計及び支持構造の設計は局所的に変化がつけられ得る。

ここで、好ましくは、支持構造及びシェルから構成されたセンサ本体の減衰の度合いのばらつきは、１つの同一のセンサ・チャンバ内で起こる。代替的に、相互に異なる減衰の度合いを提供し、各々が支持構造及びシェルから構成された複数の別個のチャンバ、すなわち複数のセンサ本体が提供される。この設計は、有利には、デバイスが、そのシェル及び支持構造が各々互いに一体的に形成された少なくとも第１のガス充満チャンバと第２のガス充満チャンバとを備え、第１のチャンバのシェル及び支持構造は、第２のチャンバのシェル及び支持構造とは異なる減衰の度合いを提供する。

好ましくは、支持構造は、シェルの対向する領域、特には、デバイスの上部に配置されたシェルの領域とデバイスの底部に配置されたシェルの領域とを相互接続するように構築される。この場合、支持構造はチャンバを貫通するように設計される。本明細書において、デバイスの上側は、保護されるべき取扱デバイスから離間する方に向いた側を指し、下側は、保護されるべき取扱デバイスに向いたデバイスの側を指す。更には、これ以降、「内側」は気密シェル内の全ての部分を指し、「外側」は気密シェルの外の全ての部分を指す。

好ましくは、支持構造は、複数の支持要素を有する。支持要素は、チャンバ内に、例えば、空間グリッドを形成し得、空間グリッドは、好ましくは、立方体、四面体又は切頂八面体で構築され、又はハニカム・グリッドとして形成される。

代替的に又は追加的に、支持要素は、チャンバを横切るウェブ及び／又はロッドによって形成され得る。

更には、支持構造が、デバイスの底部から上部へと枝分かれするツリー構造を備える実施例も可能である。このシェルにおいて、ツリー構造は、太いロッドを備え、例えば、このロッドはセンサ本体の上側に向かって枝分かれし、より細かくなっていく。このことは、デバイスの下側の領域において支持構造から自由な空洞の比率が比較的大きい構成を可能にし、それによって軽量化が達成される一方、上側の領域においては、枝分かれしたより細かいロッドによって良好に分散された支持効果が達成される。

減衰の度合いの調整は、チャンバの単位体積当たりの支持要素の数が、第２の領域においてよりも第１の領域において、より大きくなるように選択されるという、特に単純な手法によって達成される。チャンバの単位体積当たりの支持要素の数がより大きく選択されるほど、支持構造はより堅く又はより強くなる。チャンバの単位体積当たりの支持要素の数がより小さく選択されるほど、支持構造はより柔らかく又はより柔軟になる。生成的製造プロセスを用いることによって、支持部材の空間的密度は、１つの同一のチャンバ内で、すなわちシェル及び支持構造から構成された１つの同一の本体内で、局所的に容易に変化がつけられ得る。

支持構造の支持要素は、好ましくは、より良好な機械的安定性を保証するために、互いに対して及び／又はシェルに対して丸みを帯びた接続部を有し得る。丸みを帯びた接続部のために、個々の支持要素は丸まった部分を介して互いに合併する。

代替的に又は追加的に、減衰の度合いの局所的なばらつきは、支持構造の物理的材料特性を変化させること、特には材料の剛性に変化をつけることによってももたらされ得る。好ましくは、本明細書において、支持構造は、第２の領域においてよりも第１の領域において、より堅い材料で作られるものとされる。

代替的に又は追加的に、減衰の度合いの局所的なばらつきは、支持構造の厚さにおける対応する変化よっても達成され得る。特には、第１の領域における支持構造は、第２の領域においてよりも、より大きな厚さを有するものとされ得る。本明細書において、厚さとは、支持構造及びシェルから構成されたセンサ本体の上側と下側との間の距離を意味するものと理解される。

減衰の度合いのばらつきが、シェルの局所的な変化によってもたらされる実施例において、デバイスの上部におけるシェルの厚さ及び／又はシェルの剛性は、第２の領域においてよりも第１の領域において、より大きくなるように選択されるものとされ得る。本明細書において、支持構造は、均一な減衰特性を有するように設計されてよく、又は減衰の度合いの追加的な局所的影響が支持構造の追加的な局所的なばらつきによって達成されてよい。後者の場合、デバイスの上部におけるシェルの減衰の度合いは、第２の領域においてよりも第１の領域において、より大きくなるように選択され、及び支持構造の減衰の度合いは、第１の領域においてよりも第２の領域において、より大きくなるように選択されるものとされ得る。

特には、厚い又は固いシェルは、場合により柔らかい支持構造との組み合わせにおいて、障害物と接触したときに、センサ本体のやや大きめの窪みにつながる。反対に、薄い又は柔らかいシェルは、場合により固い支持構造との組み合わせにおいて、センサ本体のやや局所的な窪みにつながる。

更なる好ましい実施例は、デバイスの上部におけるシェルの厚さ及び／又はシェルの剛性は、チャンバの中央領域においてよりも縁部領域において、より小さくなるように選ばれることを提供する。本明細書において、縁部領域は湾曲領域であり得る。デバイスの上部におけるシェルの厚さ及び／又はシェルの剛性は、シェルの平坦領域においてよりもシェルの湾曲部分において、より小さくなるように選ばれ得る。このことは、縁部領域に対する、又は上側の湾曲領域におけるセンサの一貫した高感度を保証する。

更なる好ましい実施例によると、支持構造は、デバイスの上側においてシェルの内側に配置される材料補強材を備え、材料補強材は、好ましくは、ハニカム状パターンを有するものとされ得る。例えば、シェル及び支持構造は、支持構造がほんの少数の支持要素、例えばウェブ又はバーから構成され得、シェルがハニカム状構造によって補強されるように設計され得る。このことは、高い空洞率を可能にし、それによって、高い剛性を維持しつつ、軽量化が達成される。

自ずから分かるように、好ましくは、各チャンバは、それ自体の圧力増加デバイス、好ましくは、特定の圧電駆動型のポンプ又は送風機を有するものとされる。圧力増加デバイスは、好ましくは、環境空気をそれぞれのチャンバに送り得るように配置される。好ましくは、圧力センサは、チャンバ内に所定のガス圧を確立及び維持するように、制御回路を介して圧力増加デバイスと協働する。

本発明は、取扱デバイスであって、本発明による少なくとも１つの衝突検知デバイスが取扱デバイスの少なくとも第１及び第２の領域を覆い、取扱デバイスは、圧力センサの信号に応じて作動され得る緊急シャットダウン機能を有する、取扱デバイスを更に提供する。

取扱デバイスは、産業ロボットとして、特には、製造、搬送、検査又はサービス・ロボットとして設計され得る。

本発明は、図面において概略的に図示される実施例を参照して、より詳細に説明される。

従来技術による衝突検知デバイスの断面を図示する。 本発明による衝突検知デバイスを図示する。 支持構造の第１の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第２の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第３の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第４の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第５の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第６の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第７の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第８の実施例の詳細図を図示する。 支持構造の第９の実施例の詳細図である。 支持構造の第１０の実施例の詳細図である。 支持構造の第１１の実施例の詳細図である。

図１において、取扱デバイスの表面１に取り付けられた衝突検知デバイスが図示される。デバイスは、複数のセンサ本体２を備え、その各々はシェル３によって包囲された空気充満チャンバ４を有する。シェル３は、プラスチック・ベース・シェル５に装着され、それによってチャンバ４の気密な密閉状態を形成する。ベース・シェル５は、例えば接着接続によって装着されたスペーサ６を間に介在させて取扱デバイスの表面１に装着される。スペーサ６によって得られる隙間は、センサ本体２の下側と表面１との間に、空気入口及びケーブル通路チャンネル７を生む。

チャンバ４内に行きわたる圧力は、圧力増加デバイス８によって調整され、圧力増加デバイス８は、環境空気をチャンネル７から引き入れ、それによって制御デバイス９によって調整される圧力をセンサ本体２の内部に生成する。圧力増加デバイス８は、ベース・シェル５の凹部に受け入れられる。ベース・シェル５の凹部には、圧力センサ１０も受け入れられ、これはチャンバ４内に行きわたる空気圧力を測定する。内部圧力センサ１０は、好ましくは、プリント回路基板として設計された担持体プレート１１に締結され、これは、外側に基準圧力センサ１２も担持し得る。衝突検知デバイスの動作に関しては、国際公開第２０１６／０００００５Ａ１号が参照される。

図２において概略的に図示される本発明による実施例は、図１による実施例と同じように働くが、センサ本体２は、チャンバ４に配置された支持構造１３を有し、これは、図２においては、斜影線によってのみ示されている。図１とは異なり、シェル３は、ベース・シェルに締結されておらず、チャンバ４を全体的に包囲している。更には、シェル及び支持構造１３は互いに一体的に形成され、特には、生成的積層製造プロセスによって形成されている。プリント回路基板１１は、圧力センサ１０及び場合によっては圧力センサ１２と一緒に、図１による実施例と同様に構築され得る。同じことが、圧力増加デバイスにも適用され得るが、圧力増加デバイスは分かりやすくするために図２においては図示されていない。

以下の図は、支持構造の様々な実施例を図示する。図３は、センサ本体の上側に配置されたシェル領域１４をセンサ本体の下側に配置されたシェル領域１５に接続する支持構造１３を図示する。図３は、支持構造１３のセクションだけを図示しているが、支持構造１３は、シェル３の２つの側方エリア（不図示）も互いに接続している。シェル３及び支持構造１３は、柔軟性プラスチック材料、好ましくは同一の材料で作られ、生成的製造プロセス、特には選択的レーザー焼結（ＳＬＳ：ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）によって一体的に構築される。この場合、支持構造１３は、相互に垂直に交差する複数のバーから構成され、立方体の空間グリッドが提供されるように、第１のグループの平行なバー１６は、上部を底部に接続し、第２のグループの平行なバー１７は、一方側から他方側に延在する。

図４は、センサ本体の上側に配置されたシェル領域１４をセンサ本体の下側に配置されたシェル領域１５に接続し、平行なウェブ１８から構成された支持構造１３を図示する。

図５は、センサ本体の上側に配置されたシェル領域１４をセンサ本体の下側に配置されたシェル領域１５に接続し、平行なバー１９から構成された支持構造１３を図示する。

図６は、センサ本体の上側に配置されたシェル領域１４をセンサ本体の下側に配置されたシェル領域１５に接続し、下側から上側に枝分かれするツリー構造から構成された支持構造１３を図示しており、胴体部分２０が枝部２１に枝分かれしている。

図７は、支持構造１３が、Ｘ形状のウェブ２２及び２３として設計された実施例を図示し、交差領域２４に、並びにウェブ２２及び２３とシェル３、シェル部分１４及び１５との接続領域２５に丸みが形成されている。

図３から図７による実施例において、支持構造によって提供される減衰の度合いは、例えば、単位体積当たりの支持要素（ウェブ、ロッド、ツリー構造）の数に変化をつけることによって、局所的に変化がつけられ得、結果的な構造は、より密度が大きく、又はより密度が小さくなる。減衰の度合いの局所的なばらつきは、それぞれの支持要素の材料の厚さ又は材料の堅さを変化させることによってもなされ得る。

例えば図８において図示されるように、減衰の度合いの局所的なばらつきは、上部と底部との間で測定される厚さを変化させることによっても達成され得る。図８は、その表面１がセンサ本体２によって覆われた取扱デバイスの領域を図示する。支持構造１３は、第２の領域２７においてよりも第１の領域２６において、より厚くされている。

図９は、シェル３の壁厚及び／又は剛性に変化がつけられた実施例を図示する。特には、厚い／固いシェル３は、場合により柔らかい支持構造１３との組み合わせにおいて、接触されたときに、センサ本体のやや大きめの窪みをもたらす（図９ａ）。反対に、薄い／柔らかいシェル３は、場合により剛性の支持構造１３との組み合わせにおいて、センサのより局所的な窪みにつながる（図９ｂ）。

更には、図１０において図示されるように、シェル３の壁厚は、センサ表面の縁部２９よりもセンサ表面の中央２８において、より大きくされてよい。

図１１の実施例において、支持構造は、より少ない数の支持部材３０、例えばウェブ又はバーを備え、これらはセンサ本体の上側に配置されたシェル領域１４をセンサ本体の下側に配置されたシェル領域１５に接続し、追加的な支持効果が、上側シェル領域１４上に一体的に形成されてハニカム・パターンを形成する補強構造３１によって達成される。このことは、大きな空洞率を可能にし、故に、高い剛性を維持しつつ、軽量化を可能にする。

図１２において図示されるように、センサ本体２は、複数の厚さばらつき部分を有し得、チャンバ４は、筒状の接続部によって相互接続された中央部分３２と２つの側方部分３３と備える。ここで、中央エリア３２のみが、電子回路を含んだ圧力センサ１０を含む。

Claims (20)

1. 障害物との取扱デバイスの衝突を検知するためのデバイスであり、障害物との衝突によって変形可能な柔軟性シェルによって包囲され、柔軟性支持構造を備える少なくとも１つのガス充満チャンバを備え、前記支持構造は、衝突中に働く力を前記シェルと一緒に機械的に減衰させる減衰要素を形成し、前記デバイスは、前記チャンバ内のガス圧力を測定するための圧力センサを更に備え、前記デバイスは、前記取扱デバイスの少なくとも第１及び第２の部分を覆うように前記取扱デバイスに装着可能である、デバイスであって、前記シェル及び前記支持構造は互いに一体的に形成され、前記第１及び前記第２のエリアにおいて相互に異なる減衰の度合いを提供し、前記シェル及び前記支持構造は、特には層になって、例えば選択的レーザー焼結によってなど、生成的製造プロセスによって製造されることを特徴とする、デバイス。
2. 前記支持構造及び／又は前記シェルは、前記第１及び前記第２の領域において異なる減衰の度合いが提供されるように、局所的に変化されていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記デバイスは、そのシェル及び支持構造が各々、互いに一体的に形成された少なくとも第１のガス充満チャンバと第２のガス充満チャンバとを備え、前記第１のチャンバの前記シェル及び前記支持構造は、前記第２のチャンバの前記シェル及び前記支持構造とは異なる減衰の度合いを提供することを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記支持構造は、前記シェルの対向する領域、特には、前記デバイスの上部に配置された前記シェルの領域と前記デバイスの底部に配置された前記シェルの領域とを相互接続することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記支持構造は、複数の支持要素を備えることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記支持要素は、空間グリッドを形成し、前記空間グリッドは、好ましくは、立方体、四面体又は切頂八面体で構築され、又はハニカム・グリッドとして形成されることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記支持要素は、前記チャンバを横切るウェブ及び／又はバーによって形成されることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記支持構造は、前記デバイスの前記底部から前記上部へと枝分かれするツリー構造を備えることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
9. 前記チャンバの単位体積当たりの支持要素の数は、前記第２の領域においてよりも前記第１の領域において、より大きくなるように選択されることを特徴とする、請求項６から８までのいずれか一項に記載のデバイス。
10. 前記支持構造は、前記第２の領域においてよりも前記第１の領域において、より堅い材料で作られることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載のデバイス。
11. 前記支持構造は、前記第２の領域においてよりも前記第１の領域において、より大きな厚さを有することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のデバイス。
12. 前記デバイスの前記上部における前記シェルの厚さ及び／又は前記シェルの剛性は、前記第２の領域においてよりも前記第１の領域において、より大きくなるように選択されることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載のデバイス。
13. 前記デバイスの前記上部における前記シェルの前記減衰の度合いは、前記第２の領域においてよりも前記第１の領域において、より大きくなるように選択され、前記支持構造の前記減衰の度合いは、前記第１の領域においてよりも前記第２の領域において、より大きくなるように選択されることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載のデバイス。
14. 前記デバイスの前記上部における前記シェルの前記厚さ及び／又は前記シェルの前記剛性は、前記チャンバの中央領域においてよりも縁部領域において、より小さくなるように選ばれることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一項に記載のデバイス。
15. 前記デバイスの前記上部における前記シェルの前記厚さ及び／又は前記シェルの前記剛性は、前記シェルの平坦領域においてよりも前記シェルの湾曲部分において、より小さくなるように選択されることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載のデバイス。
16. 前記支持構造は、前記デバイスの上側において前記シェルの内側に配置される材料補強材を備え、前記材料補強材は、好ましくは、ハニカム状パターンを有することを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項に記載のデバイス。
17. 各チャンバは、それ自体の圧力増加デバイス、好ましくは、特定の圧電駆動型のポンプ又は送風機を有することを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一項に記載のデバイス。
18. 前記圧力センサは、前記チャンバ内に所定のガス圧を確立及び維持するように、制御回路を介して前記圧力増加デバイスと協働することを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一項に記載のデバイス。
19. 請求項１から１８までのいずれか一項に記載の衝突検知デバイスを備える取扱デバイスであって、前記衝突検知デバイスは前記取扱デバイスの少なくとも第１及び第２の領域を覆い、前記取扱デバイスは、前記圧力センサの信号に応じて作動される緊急シャットダウン機能を有する、取扱デバイス。
20. 請求項１から１８までのいずれか一項に記載のデバイスを製造するための方法であって、前記シェル及び前記支持構造は、特には層になって、例えば選択的レーザー焼結によってなど、生成的製造プロセスによって、互いに一体的に作られることを特徴とする、方法。

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