WO2005065893A2 - Redundanter roboter und verfahren zum positionieren desselben - Google Patents

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WO2005065893A2
WO2005065893A2 PCT/EP2005/000235 EP2005000235W WO2005065893A2 WO 2005065893 A2 WO2005065893 A2 WO 2005065893A2 EP 2005000235 W EP2005000235 W EP 2005000235W WO 2005065893 A2 WO2005065893 A2 WO 2005065893A2
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effector
rigid element
rotary drive
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Tobias Brett
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Technische Universität Berlin
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1643—Programme controls characterised by the control loop redundant control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/04—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type by rotating at least one arm, excluding the head movement itself, e.g. cylindrical coordinate type or polar coordinate type
    • B25J9/041—Cylindrical coordinate type
    • B25J9/042—Cylindrical coordinate type comprising an articulated arm

Definitions

  • the invention relates to a robot and a method for positioning the same with the features mentioned in the preambles of claims 1 and 13.
  • robots are used in a wide variety of industrial manufacturing processes, which have a wide variety of kinematics depending on their application.
  • So-called "pick-and-place” tasks are often taken over by robots, in which objects have to be gripped by the robot in one place and placed in another place. It is desirable to grasp the objects (goods) quickly to be able to transport and store at the target location within the shortest possible time while maintaining a high positioning accuracy. It is also desirable to keep the proportion of empty runs of the robot as low as possible.
  • other tasks such as bombarding certain objects with laser radiation, can also be provided.
  • a gripping element is not required for such tasks, but a device for generating laser radiation is required.
  • the robot comes into contact with the objects (goods) to be processed in different ways.
  • This coming into contact with the objects is realized by the at least one effector of the robot, which can be, for example, a laser or a gripping device.
  • An effector can, however, also be another device through which the robot acts in a suitable manner on the object to be processed (or transported).
  • SCARA robot which is known, for example, from US Pat. No. 4,702,668, two horizontally operating arms, which are connected to one another in a rotatable manner, are used to position the effector.
  • a first arm is rotatably connected at its first end to a base and a rotary drive, the second end of the first arm being rotatably connected to one end of the second arm.
  • the common axis of rotation of the two arms also has a second rotary drive.
  • the effector is located at the other end of the second arm.
  • the effector of the robot is positioned by means of the at least two rotary drives using known methods, such as, for example, “point-to-point”, “synchro-point-to-point” or “continuous path”.
  • the moving drives are used for the recording
  • the SCARA robot's moment of inertia is relatively high due to high machining forces.
  • the SCARA robot is energetically unfavorable, especially at large distances with a high proportion of movement of the upper arm (first arm) due to its large inertia, which is mainly due to the mass of the second
  • dispensing with the second rotary drive is not possible, as this would mean that the effector arranged on the second arm (forearm) could no longer be specifically positioned.
  • the SCARA robot In order to be able to arrange the “pick and place” fields next to one another (ie the robot base next to both fields), the SCARA robot must be dimensioned larger, which on the one hand results in a cost disadvantage, on the other hand leads to an unused work area of over 50%. Furthermore, the mass of the larger robot arm has an energetically disadvantageous effect.
  • US 6,275,748 B1 and US 6,593,718 B1 robots with 3 rigid, movably arranged arms are known, the 3 axes of rotation, over which the arms are held, each having rotary drives.
  • the first and the second arm and the second and the third arm each have a common axis of rotation.
  • the effector arranged at the end of the third arm can also be positioned using known methods, such as “point-to-point”, “synchro-point-to-point” or “continuous path”.
  • This concept is similar to that of the Scara robot, only that 3 arms are now provided instead of the 2 arms.
  • the moment of inertia and thus the energy consumption is relatively high.
  • 6,593,718 B1 are energetically unfavorable, particularly in the case of large distances with a high proportion of movement of the upper arm (first arm) due to its great inertia, which is primarily due to the mass of the second rotary and third drives.
  • N In order to eliminate the aforementioned disadvantages, N.
  • Scherm proposed "Dynamics and control of underactuated manipulation systems: A discrete time approach", 34th control engineering colloquium, Boppard, 2000, to improve the concept of the SCARA robot to distort the rotary drive arranged outside the basic axis of rotation of the robot and to implement control of the robot or positioning of the robot's effector only by means of the one rotary drive.
  • the so-called delta robot which has mainly parallel kinematics and a relatively low weight, as a result of which it can achieve extremely short cycle times, which are in the range of 0.4 seconds.
  • This Delta robot consists of an immovable base, which is mounted on a ceiling.
  • the delta robot also has four arms and four (rotary) drives. Three arms, consisting of upper and lower arm, connect the base with the moving platform at the lower end, which carries the effector.
  • the arm geometry always keeps the platform parallel to the base.
  • the parallel kinematics of the arms enable high rigidity and acceleration.
  • the fourth arm is used to transmit torque and allows the effector to rotate. Due to the mandatory ceiling mounting of the Delta robot, its areas of application are restricted.
  • the delta robot is unable to enter workrooms that only have side access.
  • the Delta robot cannot be used even when approaching a side wall.
  • This is disadvantageous because the (laterally) removal of workpieces from machines is used in many assembly or machining processes, in which the orientation of the workpieces is ensured once by a robot or a robot system in order to maintain this defined local position in all subsequent processes to be able to.
  • the delta robot cannot be used for such tasks because of the aforementioned disadvantages. It is therefore an object of the present invention to provide a robot and a method for positioning the effector of a robot which overcomes the aforementioned disadvantages in “pick and place” tasks.
  • the robot according to the invention is intended to perform “Pick - and place "tasks can be implemented and can also be positioned with high accuracy using the method according to the invention.
  • the robot according to the invention should be able to be used more energetically advantageously in “pick and place” tasks than the robots according to the prior art.
  • a particular advantage of the invention is that the robot according to the invention can be used, for example, to carry out “pick and place” tasks particularly quickly, very precisely and more energetically than in the prior art.
  • the invention is based on the idea and the disadvantages of the SCARA robot (high moment of inertia) and the underactuated SCARA robot (insufficient positionability, numerous movements). For this purpose, the model of the underactuated SCARA robot was further developed.
  • the idea of the invention is to combine two essentially horizontally arranged robot arms ( to connect the second and third rigid element) at their ends by means of an axis of rotation (third axis of rotation) which has only a small dimensioned drive (third rotary drive), the second end of the second arm being connected to a rotary drive (second rotary drive) and rotatably mounted (around egg ne second axis of rotation).
  • the second end of the third arm has an effector.
  • the axis of rotation connected to the second rotary drive (second axis of rotation) is connected to a fuselage (first rigid element), which in turn is rotatably mounted (about a first axis of rotation) and has a further (first) rotary drive, the two axes of rotation (first and second axes of rotation) are arranged spaced apart. Due to the third axis with a small dimensioned drive (with respect to the nominal output torque), which connects two rigid elements with each other, the moment of inertia and thus also the energy consumption of the robot according to the invention is significantly reduced despite good positionability.
  • the known methods such as “point-to-point”, “synchro-point-to-point” or “continuous path” are not used for positioning the effector, but a new one, hereinafter It is characteristic of the positioning method according to the invention that during the time in which the effector is to stand still (for example for gripping or placing an object) the robot arm closest to the base (first rigid element) remains in motion, ie one Rotates around the first axis of rotation at a non-zero angular velocity.
  • the second and third rigid elements are moved in such a way by means of the second rotary drive and possibly also by means of the third rotary drive, that they're shifting the location the second n Compensate the axis of rotation (due to the rotation of the first rigid element).
  • Such a compensating movement can generally last a maximum of 1/3 (ie approx. 33.3%) of a revolution of the first rigid element. However, this period is usually sufficient, for example, to carry out "pick and place" tasks of the robot on an object (eg grasping or placing an object).
  • the main advantage is energy savings due to the smaller dimension drive in the third axis and in that the kinetic energy of the system (due to the avoidance of the standstill of the arms - ie at least the first and second rigid element) is not completely lost, so that it is possible (while gripping an object) that is stored in the arms of the robot to use kinetic energy to accelerate the (seized) object and effector.
  • a smaller dimensioning of the drive in the third axis can take place because the robot arms (first and second rigid element) for gripping or placing an object (and thus for the effector to stand still) ) itself is not braked to a standstill and therefore subsequently to the transp location of the object does not have to be accelerated from a standstill.
  • the forces required in the third axis of rotation are significantly lower, so that in the third rotary axis arranged rotary drive can be dimensioned significantly smaller with respect to its nominal output torque.
  • the movement in which the effector stands still, even though the arm (3 rigid elements) is in motion, will be referred to below as zero space movement.
  • the movement in which the effector is moved is referred to below as the transport movement.
  • the robot according to the invention has at least one linear vertical drive and a base which has a first, vertically arranged axis of rotation with a first rotary drive, the first axis of rotation being fixedly connected to a first rigid, essentially horizontally arranged element which is rotatable is connected via a second, vertically arranged axis of rotation to a second, essentially horizontally arranged rigid element, the second axis of rotation being arranged at a distance from the first axis of rotation and having a second rotary drive, and the second rigid element being rotatably movable with a third via a third axis of rotation , substantially horizontally arranged rigid element is connected, wherein the third axis of rotation is arranged spaced from the second axis of rotation and has a third rotary drive and the third rigid element is connected to an effector and the at least a linear vertical drive is connected to the base, the effector or one of the axes of rotation, the third rotary drive having a nominal output torque less
  • the third rotary drive has a nominal output torque less than or equal to 25% of the nominal output torque of the second rotary drive. In a particularly preferred embodiment variant of the invention, it is sufficient
  • r is the length of the distance from the center of the effector to the center of gravity, which is defined by the third rigid element, an optional vertical drive, the effector and the load capacity, and I the length of the third rigid element, m the mass of an optional vertical drive, the Effector and the possibly existing load and t is the maximum time for executing a zero space movement.
  • the weight of the effector should also take into account the weight of a lifting unit (vertical linear drive) which may be arranged on the effector and any axis which may be present for the rotation of the effector.
  • the two first rigid elements are formed by a rigid disk which is fixedly connected to the first drive
  • the first rigid element Via a fourth vertically arranged axis of rotation with a fourth, substantially horizontally arranged rigid element rotatably connected, the fourth axis of rotation having a fourth rotary drive and the same distance from the first axis of rotation as the second axis of rotation and with respect to the first axis of rotation compared to the second Axis of rotation is arranged and the fourth rigid element is rotatably connected via a fifth axis of rotation to a fifth, substantially horizontally arranged rigid element, the fifth axis of rotation has a fifth rotary drive and the third rigid element and the fifth e rigid element are each connected to an effector and the second element has the same length as the fourth element and the third element has the same length as the fifth element and the nominal output torque of the third rotary drive correspond
  • the at least one linear vertical drive can also be connected to the base or one of the other axes of rotation, preferably the first axis of rotation.
  • the basic model therefore has five drives, namely a drive that connects the first rigid element to the base, a drive between the first rigid and second rigid element, a small-sized drive between the second rigid and third rigid element and two drives for the effector.
  • the extended model with two robot arms provided that each effector has a rotary and linear vertical drive, has a total of nine drives, namely the drive between the base and the first rigid element, the two drives between the first rigid element and the second or fourth rigid element and the Drive (small size) between the second element and third element and the drive (small size) between the fourth element and fifth element and the four drives for the two effectors.
  • all drives or the rotary axes and lifting axes connected to these drives have brakes.
  • the behavior of the robot according to the invention is particularly well suited for “pick and place” tasks. The positioning of the at least one effector of the robot is described below:
  • the positioning of the effector can be divided into two categories, on the one hand in the zero-space movement, in which the effector stands still, although the first rigid element of the robot is in motion (rotates), and on the other hand the transport movement, in which the effector is moved.
  • the zero space movement is described in more detail. Basically, only two axes, each with a rotational degree of freedom in this plane, are required for positioning in a plane. A maximum of two possible angular positions of the two axes can be assigned for each coordinate in the plane. If the robot has three axes in this plane, a large number of possible angular divisions of the axes can be assigned to a coordinate. This is comparable to a suspension bridge that is on both ends is immovable, but the individual elements in between can still be moved. Just like the suspension bridge, the robot arm can move the arm between its fixed base and the effector, which is supposed to stand still in the room. The difference is that the suspension of both ends is a prerequisite for the suspension bridge, and the goal for the robot is that the free-standing effector is at a standstill.
  • the third rigid element is particularly relevant for understanding the processes involved in the zero-space movement.
  • the effector i.e. the end of the third rigid element to stand still in the room
  • the third rigid element moves in a circular path (partial circle) around the effector.
  • This movement (the third axis of rotation on a circular arc around the stationary effector) can take place at a constant speed (i.e. constant angular speed), or an acceleration can occur which is in the same direction or opposite to the direction of the speed (braking process).
  • a body rotates at a constant speed, only a centripetal force acts on it. This points in the radial direction away from the center of rotation and thus acts along the third rigid element.
  • a force that acts along an elongated body is called a normal force.
  • a transverse force is called transverse force.
  • the third axis is arranged at the end of the third rigid element closer to the base; the force vector of the centripetal force therefore points through this axis. For this reason, it is possible to neutralize the effect of the centripetal force by a force of the same magnitude that is applied to the third axis and is opposed to the centripetal force: the third axis of rotation has a rotational degree of freedom. However, the axis is determined in translation. As a result, no moments can be transferred from the second to the third rigid element. The output torque of the third drive is also low.
  • the common center of gravity of the third rigid element, effector and a stroke axis on the effector is advantageously very close to the effector. This favors that the required output torque of the third drive can remain low.
  • the acceleration of the third rigid element by a force on the third axis creates a rotation of the rigid element, the center of which is not in the center of the effector, but in the vicinity of the aforementioned center of mass r ⁇ B4].
  • the distance from the undesired center of rotation to the center of the effector is small.
  • the positional deviation of the effector from its actual rest position is also small. This slight deviation must be compensated for by the third drive, as well as by a force that also originates in the third axis.
  • the controller calculates a suitable path movement of the robot arm for the transport movement, ie the control of the robot from a starting point to a destination. There is also information about the mechanical structure of the arm, the angular position of the axes at the starting point and the coordinates of the target point.
  • the courses of the required engine torques are determined in advance. If the appropriate current is now introduced into the drives (first and second drive) to generate the desired torque curve, the robot moves according to the calculated path. In practice, however, a whole series of 15 disturbances occur, which move the robot from its course during the transport movement and cause the target point to be missed. This includes friction, material compliance, bearing play and thermal expansion. That is why a robot has a control loop. This permanently measures the required process variables such as angular positions and speeds of the axes. The deviations during the movement are forwarded to the control, which can make an adjustment or path correction immediately. A power reserve of the drives (first and second drive) is now always taken into account when calculating the path by the control. These power reserves can be used during the web movement
  • the third axis is now equipped with such a poorly performing drive that it is of negligible importance for path planning (during the transport movement). His contribution to the acceleration of the robot (during the transport movement) and thus his contribution to a short one
  • the third drive during the transport movement only to compensate for interference and during zero space movement (only in the case of an accelerated rotation of the third axis of rotation about the effector) for the initiation of a. Moment is needed, whereby the third drive can advantageously be dimensioned very small. Since the zero space movement is shorter in time than the transport movement (the operating time of the third drive for the control is therefore less than 50% overall), the third drive can be loaded significantly beyond the manufacturer's nominal torque in the short usage phase. The possible torque increase is in the range of 25 to 50% above the nominal torque. This also means that the third drive can be dimensioned small.
  • the transport movement will be described in more detail below. In principle, many different transport movements are possible.
  • the dimensioning of the robot and the end of the zero-space movement are decisive for the selection of the movement.
  • the second and third rigid elements fold inwards, in the direction of the first axis of rotation (hereinafter also referred to as the inner curve), or outwards, away from the first axis of rotation (hereinafter also referred to as the external curve), a different movement must be selected.
  • the second axis of rotation first delivers its maximum power to accelerate the retracting movement. Due to the impulse initiation during the transition phase from the zero space movement, the effector receives a strong acceleration in the direction of the second axis. The speed component in this direction is therefore very strong in the effector.
  • the second drive increases the speed component of the effector very strongly in this direction. The effector moves much faster than the second axis after just a few moments.
  • the effector quickly approaches the second axis.
  • the movement of the effector is now somewhat distorted from its straight path, in the direction of the first axis of rotation. Since the second axis of rotation is also on a circular path (circular arc) around the first axis of rotation, however, the effector is oriented more towards the new position of the second axis of rotation.
  • the curvature of the path of the effector is greater than that of the path of the second axis of rotation.
  • the effector will not swing directly under the second axis of rotation, but will be shifted a little in the direction of the first axis of rotation.
  • This is taken into account when dimensioning the robot, in which the third rigid element is preferably shorter than the second rigid element.
  • this is further taken into account by the fact that at the point in time at which the effector is located between the second and first axes of rotation, the third axis of rotation has already been moved significantly further forward in the direction of movement of the second axis of rotation. No special control measures are required for this.
  • the momentum from the initial phase of the movement is sufficient if the drive line is correctly selected by the second drive.
  • the movement continues until the effector and the third axis of rotation are on the line of the speed vector of the second axis of rotation at this time (this is the tangent through the second axis of rotation at this time).
  • the effector has thus overtaken the second axis of rotation; the second and the third rigid element lie one above the other.
  • the angular position is approximately 180 ° (according to the definition). In this position, the effector cannot move further forward from the second axis of rotation, since the position of the rigid elements two and three in this direction cause an inhibition.
  • the speed component of the effector which points in the longitudinal direction of the rigid elements two and three, is completely absorbed by a normal force which arises from the inhibition in the rigid elements and counteracts the direction of movement.
  • This counterforce has gradually built up before the 180 ° position. It has already brought about braking and has redirected the direction of movement of the effector in such a way that the effector no longer approaches the first axis, but rather moves away from it. This remains during the 0 ° position Obtained speed component, since it is not influenced by the inhibition.
  • the speed of the second axis of rotation must be reduced so much by the power of the second drive that the effector and third axis move on a circular path (circular arc) around the second axis of rotation at almost the same speed.
  • the 180 ° position of the third axis of rotation remains approximately unchanged. Only when the third axis of rotation has arrived behind it in the direction of movement of the second axis of rotation can it be seen that the speed of rotation of the effector about the second axis of rotation was slightly greater than that of the third axis of rotation and gradually left the 180 ° position of the third axis of rotation has been.
  • the effector has thus overtaken the second rigid element, its speed vector now points in the direction of the first axis of rotation. At this point in time, the second axis of rotation is accelerated again by the second drive. This also causes the effector to accelerate.
  • this process mainly results in a path deviation of the effector, the effect of which increases the further the angle at the third axis of rotation falls in the amount of 90 °.
  • the deviation takes place in the direction of the movement of the second axis of rotation.
  • the power of the second drive must be selected so that the effector is increasingly directed towards the target coordinate. Now a time for the power reversal of the second drive is selected, which causes the effector to brake.
  • the robot reaches the target point in exactly the manner required to initiate a zero-space movement is.
  • the prerequisites for the initiation of a zero-space movement from the transport movement or the prerequisites for the initiation of a transport movement from the zero-space movement will be explained in more detail later.
  • the outer swing movement will be explained in more detail below.
  • This movement is slightly slower than the inner swing movement. It can be used when the zero-space movement ends by the second and third rigid elements buckling in the direction away from the first axis of rotation.
  • the start of this transport movement is decisive here.
  • the drive power of the second drive which in the first moments Is largely responsible for the transport time.
  • the motor will preferably be loaded beyond its rated power for the first time (in the range of a few first hundredths of a second) up to its power limit.
  • the motor torque has a supporting effect in the initial phase of the buckling movement, i.e. in the direction of the angular movement of the second axis of rotation.
  • the acceleration of the effector is in the direction of the second.
  • Axis of rotation increased.
  • there is a low speed component which results in a path deviation of the effector in the direction away from the first axis of rotation.
  • This deviation increases with increasing proximity of the effector to the second axis of rotation, since the second and third rigid elements are folded in ever further and it is undesirable.
  • the output torque is therefore quickly reduced.
  • the circular path (circular arc) of the second axis of rotation also has a disadvantageous effect. Their curvature runs in the opposite direction than the curvature of the effector path.
  • the effector approaches the second axis of rotation; however, the paths will not overlap. Additional measures must be taken so that the effector does not move on a path that is too far from the second axis of rotation.
  • the third rigid element is preferably only slightly shorter than the second, in a preferred embodiment the length of the third rigid element is between 90% and 100% of the length of the second rigid element.
  • the effector In the 180 ° position of the third axis of rotation, the effector must therefore be moved very close to the second axis of rotation.
  • the drive torque is switched off shortly after the start of the transport movement, as described.
  • the direction of action of the drive power of drive two may even have to be reversed and the angular velocity of the second axis of rotation reduced. This slows the path of the third axis of rotation and does not move as quickly as the effector.
  • the start of the moment initiation and the amount of the power must be calculated exactly here, since there is a sensitive area of the movement. Even a small change in torque has a major influence on the position of the zero space movement to be started.
  • the moment initiation must be selected so that the effector no longer gets under the second rigid element, but rather quickly increases its distance. Furthermore, the path of the effector must increasingly approach a straight course with a direction towards the target coordinate. The transition to zero-space movement can then take place since the third axis approaches the 0 ° position (that is, 0 ° between the second rigid element and the third rigid element).
  • the entire robot arm i.e. all rigid elements
  • the kinetic energy of the robot arm should be retained, which means that the arm should continue to be moved during the zero-space movement. It is important to consider the effector. This must. come as quickly as possible from a high speed to a complete rest position on a coordinate calculated in advance. Regardless of the type of transport movement that was carried out before and the coordinate that is to be approached, all transitions have certain features that make it possible to ensure that the effector comes to a quick standstill:
  • the braking process is also based on the fact that the speed vector of the effector points along the second and third rigid elements at the moment of the braking phase.
  • the braking force also shows along the two rigid elements; it is a normal force in rigid elements two and three. This normal force can take the form of a tensile or compressive force.
  • the effector In order for the arm to reach the 0 ° position of the third axis of rotation taking into account the aforementioned conditions, the effector must be near the second axis of rotation during the transport movement. For this purpose, the third axis of rotation must be folded in very far, in the range of at least approximately 150 ° in amount.
  • the effector also has a speed vector that points away from the second axis of rotation. If the effector were a point mass and the second and third rigid elements were massless, the effector would perform a linear path movement along the speed vector. The second and third rigid elements would take up positions which favor the rectilinear path of the effector, since this is the body with mass.
  • This behavior which also determines the angular movements of the second and third axes of rotation, would continue until the maximum range of the second and third rigid element was reached. This is the case with the 0 ° position of the third axis of rotation.
  • the removal movement of the effector from the second axis of rotation ends immediately.
  • the second and third axes of rotation have a high angular velocity at the time of the 0 ° position.
  • the axes swing through.
  • the removal movement of the effector is reversed, the distance from the second axis of rotation to the effector is shortened. This shortening is advantageous.
  • the second axis of rotation moves at the peripheral speed of the first rigid element. This movement is about
  • the distance between the effector and the second axis of rotation also decreases as described at the beginning of the zero space movement and compensates for the approach of the second axis to the target coordinate.
  • the approach speed from the effector to the second axis of rotation must be precisely matched to the approach movement from the second axis of rotation to the target coordinate.
  • the second and third rigid elements have a mass that is not negligible, but is small in relation to the mass of the effector.
  • This mass proves to be a disturbance variable in the rectilinear removal movement of the effector from the second axis of rotation and in the approach movement. Furthermore must. during the removal movement, the speed of the effector is reduced to such an extent that the subsequent approach movement corresponds exactly to the approach movement of the second axis of rotation to the effector. This is achieved during the approach movement by braking the angular velocity of the second axis of rotation by the second drive. However, this will make the straight line of the
  • the end of the zero-space movement forms the basis for a new transport movement.
  • the second and third rigid elements are fully stretched, so the third axis of rotation is in the 0 ° position. Further removal of the second axis of rotation from the effector is not possible. Thus the effector is accelerated immediately.
  • the impulse introduction into the effector leads approximately to a speed which corresponds to the speed of the second axis of rotation.
  • Rigid elements two and three are also in motion.
  • the second axis of rotation rotates in the opposite direction to the third axis of rotation. This leads to a shortening of the distance from the effector to the second axis of rotation and thus to a further acceleration of the effector.
  • the direction of rotation of the third rigid element usually changes during the zero space movement. Therefore, each zero-space movement ends with a different direction of rotation of the third axis of rotation. Accordingly, a suitable transport movement must be selected that is suitable as a connecting movement.
  • the method for positioning an effector of a robot at a predefined location for a predefined time interval by: moving the effector to the predefined location at the beginning of the time interval, the second axis of rotation and the third axis of rotation using the first and the second rotary drive are aligned such that the second axis of rotation, the third axis of rotation and the effector are on a straight line at the beginning of the time interval and the first rigid element rotating about the first axis of rotation has an angular velocity other than zero at the beginning of the time interval,
  • That part of the effector which is in contact with a workpiece to be machined is preferably positioned at the predefined location for the predefined time interval.
  • a robot that is at rest requires a starting movement that either changes to a transport movement or a zero-space movement.
  • a wide variety of movement sequences come into consideration here, a preferred embodiment variant of a start movement which merges into a transport movement being described below.
  • the third rigid element moves undefined in the plane defined by the third axis of rotation.
  • an increasing centrifugal force acts on the third rigid element, so that it gradually aligns itself along the second rigid element in the direction of the second axis of rotation (0 ° position of the third axis of rotation).
  • the first axis of rotation now executes the intended constant rotary movement with a defined angular velocity.
  • the axes of rotation two and three are each in the 0 ° position.
  • the second axis of rotation is now strongly accelerated by the second drive counter to the direction of rotation of the first axis of rotation.
  • the third rigid element Due to the rotation of the second axis of rotation, the third rigid element is no longer aligned along the force of the centrifugal force in the effector. This causes the effector to move further and further away from the first axis of rotation.
  • the acceleration of the second axis of rotation must therefore be so high that the second axis of rotation passes through the 180 ° position before the effector has moved so far from the first axis of rotation that the third axis of rotation at this point in time by more than 70 ° the 0 ° Position in the direction of rotation of the first axis of rotation. This is necessary so that the rotational movement of the second axis of rotation does not lead to a further distance of the effector from the first axis of rotation.
  • FIG. 1 shows a top view of a robot according to the invention with three rigid elements in a schematic representation
  • FIG. 2 shows a schematic sectional representation of a robot according to the invention with three rigid elements
  • Figure 3 is a plan view of a robot according to the invention with five rigid elements in a schematic representation
  • 4-17 is a schematic representation of the positioning method according to the invention with different positions of the rigid elements during a transport and during a zero space movement, in detail:
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the individual positions of the rigid elements at the beginning of an inner swing movement (transport movement)
  • 5-11 are schematic representations of different positions of the rigid elements during the inner swing movement in supervision
  • FIG. 13-16 are schematic representations of different positions of the rigid elements during the zero space movement in supervision and FIG. 17 is a schematic representation of the individual positions of the rigid elements at the end of the zero space movement in supervision.
  • Figures 1 and 2 show the basic model of a robot according to the invention in top view and in a sectional view.
  • the robot is connected to a fixed object, for example a base, via the base 12. However, it is not absolutely necessary for the robot to stand on a surface. Likewise, the robot according to the invention can also hanging on a ceiling.
  • the base 12 has a first axis of rotation 10 with a first rotary drive 16, preferably an electric motor.
  • the first rigid element 18, which is designed as a circular fuselage disc, is firmly connected to the first rotary drive 16.
  • the axis of rotation 10 with the rotary drive 16 is arranged in the center of the circular rigid element 18.
  • the second axis of rotation 20 with a second rotary drive 22, which is formed by an electric motor, is arranged on the lateral edge (periphery) of the rigid element 18.
  • the rigid element 18 is fully rotatably supported about the axis of rotation 10.
  • the first rigid element 18 is connected via the axis of rotation 20 to the second rigid element 24 (upper arm), which forms the first movable robot arm.
  • the second rigid element is connected to the third rigid element (lower arm), which forms the second robot arm, via the third axis of rotation 30.
  • the third axis of rotation 30 has a small-dimensioned third rotary drive 31, the nominal output torque M 3 of which is only 20% of the nominal output torque M 2 of the second rotary drive 22 in the exemplary embodiment.
  • the third rotary drive 31 only has a weight which is approximately 10% of the weight of the second rotary drive 22.
  • the effector 28 which in the exemplary embodiment is designed as a gripper, is arranged on the forearm 26 of the robot.
  • the effector 28 is connected to a vertical drive 14 and to a rotary drive 36 via an axis of rotation 32.
  • all three axes of rotation 10, 20, 30 are rotatably supported, that is to say that any number of revolutions can be carried out without overturning and tearing off current-carrying cables.
  • the axis of rotation 32 for the rotation of the effector 28 is also rotatably supported in its entirety. Full rotatability can be achieved in different ways according to the prior art. For example, hose bushings with bearings and seals can be used for the pneumatic hoses to the effector.
  • the transmission of the power lines on the axes in question can be done, for example, by slip rings or inductively . or be solved in another suitable manner.
  • the axis 10, 20, 30 it is not absolutely necessary for the axis 10, 20, 30 to be rotated fully in order to implement the zero-space movement according to the invention (ie an effector 28 which is at rest despite the axis of rotation 10 being in rotation), but it would be necessary in this case, in each case after one Transport and zero space movement to bring the robot (i.e. all 3 rigid elements 18, 24, 26) to a complete standstill and then to execute a movement with the opposite direction of rotation of the axis of rotation 10, for example exactly the previous movement backwards.
  • This has the disadvantage of longer cycle times.
  • it is advantageous that a gripping time is available during the complete standstill of the robot, which goes beyond the time of the zero space movement, which can be advantageous in some applications.
  • the moment of inertia of the arms is advantageously significantly lower due to the small-sized rotary drive 31 in the axis of rotation 30. This enables much shorter cycle times. Contrary to the SCARA robot, the speed advantage is particularly evident in wide movements through the work area.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a robot according to the invention with two robot arms (each upper arm and forearm).
  • the first rigid element 18 has a fourth axis of rotation 40, which is connected to a rotary drive 42.
  • the fourth rigid element 44 (second upper arm) is connected to the first rigid element 18 via the axis of rotation 40.
  • the fourth rigid element 44 is connected to the fifth rigid element 46 (second forearm) via the axis of rotation 50, which has a small-dimensioned fifth rotary drive 51 whose nominal output torque M 5 in the exemplary embodiment is only 20% of the nominal output torque M 4 of the fourth rotary drive 42 is.
  • a second effector 28 is arranged, which has an axis of rotation 32 with a rotary drive 36 and a linear vertical drive 14.
  • the robot according to the invention has two arms (consisting of the elements 24 and 26 or 44 and 46), the drives 31, 51 of the axes of rotation 30 and 50 being small compared to those according to the invention Drives 22, 42 (and of course also for the first rotary drive 16) are formed. Due to the opposite arrangement of the axes of rotation 20 and 40, a collision of the arms is almost impossible, since centrifugal forces of the rotating rigid element 18 counteract an approach of the arms. Furthermore, the dwell time in areas at risk of collision can be easily planned by coordinating the gripping movements due to similar zero space movements. All axes of rotation 10, 20, 30, 40, 50 are preferably rotatably supported over their entire circumference.
  • Another advantage of the robot according to the invention is its short stroke, as a result of which the overall height at the load point is relatively small, so that the arm can also penetrate laterally into workrooms with a very low height. Furthermore, the kinetic energy of the system is not lost every time the effector is at rest, since, as already prescribed, the (rigidly largest) first rigid element continues to rotate during the “pick and place” tasks even in the idle phase of the effector 28, while the two rigid elements 24 and 26 compensate for this rotary movement It is furthermore advantageous that only one control is necessary for the two arms in the exemplary embodiment according to Figure 3.
  • FIGS. 4-17 show a schematic illustration of the positioning method according to the invention of a robot of the basic model (FIGS. 1 and 2) with different positions of the rigid elements 18, 24, 26 during a transport (FIG. 4-12) and during a zero space movement (FIG . 12-17).
  • the center of gravity 37 is actually the center of gravity which is formed by the first rigid element 18 and that part of the first rotary drive 16 which is also moved during the rotation of the first rigid element 18.
  • the center of gravity 38 is actually the center of gravity which is formed by the second rigid element 24 and those parts of the second rotary drive 22 and the third rotary drive 31 which are also moved during the rotation of the second rigid element 24.
  • the center of gravity 39 is the center of gravity which is formed by the third rigid element 26, an optionally present vertical drive 14, the effector 28, an optionally present load and that part of the third rotary drive 31 which is during the rotation of the third rigid element 26 is also moved.
  • the effector 28 moves much faster than the second axis 20 after only a few moments.
  • the effector 28 thus quickly approaches the second axis 20 (FIGS. 5-7).
  • the movement of the effector 28 is now deflected somewhat from its rectilinear path, in the direction of the first axis of rotation 10.
  • the movement continues until the effector 28 and the third axis of rotation 30 are essentially on the line of the speed vector of the second axis of rotation 20 at this point in time (this is the tangent through the second axis of rotation 20 at this point in time).
  • the effector 28 has thus overtaken the second axis of rotation 20 (FIGS. 7 and 8); the second and third rigid elements 24, 26 lie one above the other (FIG. 8).
  • the angular position is approximately 180 ° (according to the definition). In this position, the effector 28 cannot move further forward from the second axis of rotation 20, since the position of the rigid elements 24, 26 (two and three) in this direction cause an inhibition.
  • the remaining speed component of the effector 28 acts transversely to the third rigid element. If the 180 ° position of the third axis 30 is maintained by corresponding corrective measures of the second drive 22, the effector 28 and the third axis 30 execute a rotational movement about the second axis 20. With this rotation, the angular rotation of the effector 28 should run somewhat faster than that of the third axis 30.
  • the third axis 30 gradually leaves its 180 ° position
  • the second axis of rotation 20 is now accelerated again by the second drive 22 (FIG. 9).
  • this process results in a slower deflection of the third axis 30, and an acceleration of the effector 28, the effect of which increases, the further the angle at the third axis of rotation 30 in the amount of 90 ° drops.
  • the deviation takes place in the direction of the movement of the second axis of rotation 20.
  • the robot reaches the target point (P1) , see Fig. 12, in exactly the manner required to initiate zero-space motion.
  • the third drive 31 is also required for the regulation during the transport movement (FIGS. 4-12).
  • the controller calculates a suitable path movement of the robot arm for the transport movement, ie the control of the robot from a starting point to a target point (P1).
  • a suitable path movement of the robot arm for the transport movement ie the control of the robot from a starting point to a target point (P1).
  • the controller calculates a suitable path movement of the robot arm for the transport movement, ie the control of the robot from a starting point to a target point (P1).
  • the third axis 20 is now equipped with such a low-power drive that it is of negligible importance for path planning (during the transport movement). His Performance contribution for the acceleration of the robot (during the transport movement) and thus also its contribution to a short cycle time of the robot is negligible.
  • the third drive 31 can therefore be disregarded for the first calculation of the path by the control. However, since interference also occurs in the third axis 30, the drive 31 must be available for the control, which allows these disturbing moments and forces to be compensated for in the third axis 30.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zum Positionieren desselben. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Roboter anzugeben, welcher eine energetisch günstige und schnelle Abarbeitung von 'Pick- and Place'-Aufgaben ermöglicht. Dazu sind zwei im Wesentlichen horizontal angeordnete Roboterarme (24, 26) an ihren Enden mittels einer gering dimensionierten Drehachse (30) verbunden, wobei das zweite Ende des Armes (24) mit einem rotatorischen Antrieb (22) verbunden und drehbar gelagert ist. Das zweite Ende des Armes (26) weist einen Effektor (28) auf. Die mit dem rotatorischen Antrieb (22) verbundene Drehachse (20) ist mit einem Rumpf (18), welcher wiederum drehbar gelagert ist und einen weiteren rotatorischen Antrieb (16) aufweist, verbunden, wobei die beiden Drehachsen (10, 20) voneinander beabstandet angeordnet sind.

Description

Roboter und Verfahren zum Positionieren desselben
Die Erfindung betrifft einen Roboter und ein Verfahren zum Positionieren desselben mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 13 genannten Merkmalen.
In den unterschiedlichsten industriellen Fertigungsprozessen werden heutzutage Roboter eingesetzt, welche entsprechend ihrer Anwendung unterschiedlichste Kinematiken aufweisen. Dabei werden häufig so genannte „Pick- and Place" - Aufgaben von Robotern übernommen, bei welchen Objekte vom Roboter an einem Ort ergriffen und an einem anderen Ort abgesetzt werden müssen. Dabei ist es wünschenswert, die Objekte (Güter) schnell zu greifen, zu transportieren und unter Einhaltung einer hohen Positioniergenauigkeit innerhalb möglichst kurzer Zeit am Zielort ablegen zu können. Weiterhin wünschenswert ist es, den Anteil von Leerfahrten des Roboters so gering wie möglich zu halten. Neben den „Pick- and Place" - Aufgaben, für welche dem Roboter regelmäßig Greifelemente zugeordnet werden, können jedoch auch andere Aufgaben, wie beispielsweise der Beschuss bestimmter Objekte mit Laserstrahlung, vorgesehen sein. Für solche Aufgaben ist jedoch kein Greifelement, sondern eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung erforderlich. Aus dem vorgenannten ergibt sich, dass der Roboter je nach Aufgabe mit den zu bearbeitenden Objekten (Gütern) in unterschiedlicher Weise in Kontakt tritt. Dieses In-Kontakt-Treten mit den Objekten wird durch den mindestens einen Effektor des Roboters realisiert, welcher beispielsweise ein Laser oder eine Greifvorrichtung sein kann. Ein Effektor kann aber auch eine sonstige Vorrichtung sein, durch welche der Roboter auf das zu bearbeitende (oder zu transportierende) Objekt in geeigneter Weise einwirkt. Bei dem so genannten SCARA-Roboter, welcher beispielsweise aus US 4,702,668 bekannt ist, werden zur Positionierung des Effektors zwei horizontal operierende Arme, welche drehbeweglich miteinander verbunden sind, verwendet. Dabei ist ein erster Arm an seinem ersten Ende drehbeweglich mit einer Basis und einem rotatorischen Antrieb verbunden, wobei das zweite Ende des ersten Armes drehbeweglich mit einem Ende des zweiten Armes verbunden ist. Die gemeinsame Drehachse der beiden Arme verfügt ebenfalls über einen zweiten rotatorischen Antrieb. Am anderen Ende des zweiten Armes ist der Effektor angeordnet. Mittels der mindestens zwei rotatorischen Antriebe wird der Effektor des Roboters mittels bekannter Methoden, wie beispielsweise „Point- To-Point", „Synchro-Point-To-Point" oder „Continuous Path" positioniert. Durch die bewegten Antriebe, welche für die Aufnahme von hohen Bearbeitungskräften ausgelegt sein müssen, ist das Trägheitsmoment des SCARA-Roboters relativ hoch. Energetisch ungünstig ist der SCARA-Roboter insbesondere bei großen Distanzen mit hohem Bewegungsanteil des Oberarms (erster Arm) aufgrund dessen großer Trägheit, welche vor allem durch die Masse des zweiten rotatorischen Antriebes bedingt ist. Ein Verzicht auf den zweiten rotatorischen Antrieb ist nach dem Konzept des SCARA-Roboters jedoch nicht möglich, da dies dazu führen würde, dass der am zweiten Arm(Unterarm) angeordnete Ef- fektor nicht mehr gezielt positioniert werden könnte.
„Pick- and Place-Aufgaben" mit verbundener 180° Drehung des gesamten Arms werden beim SCARA-Roboter aufgrund der vorgenannten Nachteile häufig umgangen, indem ein größer dimensionierter SCARA-Roboter gewählt wird, um die zu bedienenden Felder (Feld, aus dem Objekte entnommen und Feld, in das Objekte gestellt werden) direkt nebeneinander setzen zu können. Grundsätzlich wäre jedoch zur Unterbringung zweier beispielsweise quaderförmiger „Pick- and Place'-Felder, wie beispielsweise zwei Transportbänder, eine möglichst punktsymmetrische Anordnung des Roboters zwischen den Feldern vorteilhaft. Dies ist beim SCARA-Roboter jedoch aus den vorgenannten Gründen energetisch nachteilhaft. Um die „Pick- and Place"-Felder nebeneinander anordnen zu können (d.h. die Roboterbasis neben beiden Feldern), muss der SCARA-Roboter größer dimensioniert werden, was einerseits zu einem Kostennachteil, andererseits zu einem ungenutzten Arbeitsbereich von über 50 % führt. Weiterhin wirkt sich die Masse des größeren Roboterarms energetisch nachteilhaft aus. Aus US 6,275,748 B1 und US 6,593,718 B1 sind Roboter mit 3 starren, beweglich angeordneten Armen bekannt, wobei die 3 Drehachsen, über welche die Arme gehalten werden, jeweils rotatorische Antriebe aufweisen. Insbesondere weisen der erste und der zweite Arm sowie der zweite und der dritte Arm je eine gemeinsame Drehachse auf. Der am Ende des dritten Armes angeordnete Effektor kann ebenfalls mittels bekannter Methoden, wie beispielsweise „Point-To-Point", „Synchro-Point-To-Point" oder „Continuous Path" positioniert werden. Dieses Konzept ähnelt dem des Scara-Roboters, nur das statt der 2 Arme nun 3 Arme vorgesehen sind. Insbesondere ist das Trägheitsmoment und damit die Energieaufnahme (vor allem bei „Pick and Place" - Aufgaben wegen ständiger Beschleunigungen und Verzögerungen bis zum Stillstand des Effektors) relativ hoch. Energetisch ungünstig sind die in US 6,275,748 B1 und US 6,593,718 B1 vorgeschlagenen Roboter insbesondere bei großen Distanzen mit hohem Bewegungsanteil des Oberarms (erster Arm) aufgrund dessen großer Trägheit, welche vor allem durch die Masse des zweiten rotatorischen und des dritten Antriebes bedingt ist. Ein Verzicht auf den zweiten oder den dritten rotatorischen Antrieb ist jedoch nicht möglich, da dies dazu führen würde, dass der am dritten Arm angeordnete Effektor nicht mehr gezielt positioniert werden könnte. Um die vorgenannten Nachteile zu beseitigen, ist in N. Scherm „Dynamics and control of underactuated manipulation Systems: A discrete time approach", 34. Regelungstechnisches Kolloquium, Boppard, 2000, zur Verbesserung des Konzept des SCARA-Roboters vorgeschlagen worden, auf den zweiten außerhalb der Grunddrehachse des Roboters angeordneten rotatorischen Antrieb zu ver- ziehten und eine Steuerung des Roboters beziehungsweise eine Positionierung des Effektors des Roboters lediglich mittels des einen rotatorischen Antriebs zu realisieren. Die Vorteile dieser Lösung bestehen vor allem in einem geringeren Trägheitsmoment des ersten Armes (Oberarm) des Roboters, weshalb dieser energetisch vorteilhaft, insbesondere bei häufigen 90°-Drehungen des Oberar- es im Vergleich zum SCARA-Roboter betrieben werden kann. Weitere Voreile sind geringere Kosten, ein geringeres Gewicht sowie ein geringerer Anteil an Querkräften im Unterarm bei Erreichen der Ruhelage. Die notwendige Positioniergenauigkeit beispielsweise für „Pick- and Place"-Aufgaben konnte jedoch bisher nicht erreicht werden. Die Steuerbarkeit basiert auf schwachen dynami- sehen Kopplungen wie etwa Zentrifugalkräften. Befindet sich das System in ei- ner Ruhelage, so kann keine Positionskorrektur vorgenommen werden, da die dynamischen Kopplungen nicht vorhanden sind. Der Einsatz von Bremsen bewirkt hier keine Verbesserung, da diese den Arm zwar fixieren, jedoch hat die Verzögerung der Auslösung das Verfehlen der erwünschten Position zur Folge. Das Fixieren der zweiten außerhalb der Grundachse angeordneten Achse reduziert die Zahl der Freiheitsgrade des Gesamtsystems. Die verbleibenden Freiheitsgrade reichen für eine Positionskorrektur der Abweichungen aus dem Bremsvorgang nicht aus. Zur Nutzung der dynamischen Kopplungen für die Bahnbewegung müssen in der Regel Ausholbewegungen der Arme ausgeführt werden, die zu einer starken Erhöhung der Transportzeiten führen. Aufgrund der vorgenannten Nachteile lassen sich die notwendigen Zykluszeiten, wie sie beispielsweise der SCARA-Roboter erreicht, nicht realisieren.
Weiterhin ist der so genannte Delta-Roboter bekannt, welcher eine hauptsächlich parallele Kinematik und ein relativ geringes Gewicht aufweist, wodurch er extrem kurze Zykluszeiten, welche im Bereich von 0,4 Sek. liegen, erreichen kann. Dieser Delta-Roboter besteht aus einer unbeweglichen Basis, welche an einer Decke montiert wird. Weiterhin weist der Delta-Roboter vier Arme sowie vier (rotatorische) Antriebe auf. Drei Arme, bestehend aus Ober- und Unterarm, verbinden die Basis mit der bewegten Plattform am unteren Ende, welche den Effektor trägt. Die Armgeometrie hält die Plattform dabei stets parallel zur Basis. Die Parallelkinematik der Arme ermöglicht eine hohe Steifigkeit und Beschleunigung. Der vierte Arm dient zur Übertragung eines Drehmoments und ermöglicht eine Rotation des Effektors. Aufgrund der zwingenden Deckenmontage des Delta-Roboters sind seine Einsatzgebiete eingeschränkt. Weiterhin ragen die drei Arme in relativ vielen Arbeitspositionen weit über-den Effektor hinaus. Dadurch ist es dem Delta-Roboter nicht möglich, in Arbeitsräume einzudringen, welche lediglich einen seitlichen Zugang aufweisen. Selbst bei Annäherung an eine Seitenwand ist der Delta-Roboter nicht einsetzbar. Dies ist nachteilhaft, da das (seitl.) Entnehmen von Werkstücken aus Maschinen in vielen Montage- oder Bearbeitungsprozessen Verwendung findet, bei dem die Orientierung der Werkstücke einmalig durch einen Roboter bzw. ein Robotersystem sichergestellt wird, um diese definierte örtliche Lage in allen Folgeprόzessen beibehalten zu können. Für solche Aufgaben kann der Delta-Roboter aufgrund der vorgenannten Nachteile nicht eingesetzt werden. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Roboter sowie ein Verfahren zum Positionieren des Effektors eines Roboters anzugeben, welches bei „Pick- and Place" - Aufgaben die vorgenannten Nachteile überwindet. Dabei soll der erfindungsgemäße Roboter eine energetisch günstige und schnelle Abarbeitung von „Pick- and Place" - Aufgaben realisieren können und weiterhin mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer hohen Genauigkeit positionierbar sein. Neben einer hohen Positioniergenauigkeit und geringen Zykluszeiten soll der erfindungsgemäße Roboter bei „Pick- and Place" - Aufgaben energetisch vorteilhafter als die Roboter nach dem Stand der Technik einsetzbar sein.
Diese Aufgaben werden durch einen Roboter und ein Verfahren zum Positionieren des Effektors eines Roboters mit den in den Ansprüchen 1 (Roboter) und 13 (Verfahren) genannten Merkmalen im Zusammenwirken mit den Merkmalen im Oberbegriff gelöst. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem erfindungsgemäßen Roboter beispielsweise „Pick- and Place" - Aufgaben besonders schnell, sehr präzise und energetisch vorteilhafter als nach dem Stand der Technik ausgeführt werden können. Dabei liegt der Erfindung die Idee zugrunde, die Nachteile des SCARA-Roboters (hohes Trägheitsmoment) und des unteraktuierten SCARA-Roboters (keine ausreichende Positionierbarkeit, zahlreiche Ausholbewegungen) zu beheben. Dazu wurde das Modell des unteraktuierten SCARA-Roboters weiterentwickelt. Die Idee der Erfindung besteht darin, zwei im Wesentlichen horizontal angeordnete Roboterarme (zweites und drittes starres Element) an ihren Enden mittels einer Drehachse (dritte Drehachse) zu verbinden, welche lediglich einen gering dimensionierten Antrieb (dritter rotatorischer Antrieb) aufweist, wobei das zweite Ende des zweiten Armes mit einem rotatorischen Antrieb (zweiter rotatorischer Antrieb) verbunden und drehbar gelagert (um eine zweite Drehachse) ist. Das zweite Ende des dritten Armes weist einen Effektor auf. Die mit dem zweiten rotatorischen Antrieb verbundene Drehachse (zweite Drehachse) ist mit einem Rumpf (erstes starres Element), welcher wiederum (um eine erste Drehachse) drehbar gelagert ist und einen weiteren (ersten) rotatorischen Antrieb aufweist, verbunden, wobei die beiden Drehachsen (erste und zweite Drehachse) voneinander beabstandet angeordnet sind. Aufgrund der dritten Achse mit einem gering dimensionierten Antrieb (bzgl. des Nennabtriebsmomentes), welche zwei starre Elemente miteinander verbindet, ist das Trägheitsmoment und damit auch die Energieaufnahme des erfindungsgemäßen Roboters trotz guter Positionierbarkeit deutlich verringert. Wegen des geringer dimensionierten Antriebes (in der dritten Drehachse) werden zur Positionierung des Effektors nicht die bekannten Verfahren wie „Point-To-Point", „Synchro-Point-To-Point" oder „Continuous Path", sondern ein neues, nachfolgend noch näher zu beschreibendes Verfahren verwendet. Kennzeichnend für das erfindungsgemäße Positionierungsverfahren ist, dass während der Zeit, in welcher der Effektor stillstehen soll (beispielsweise zum Ergreifen oder Ablegen eines Objektes) der der Basis nächstgelegene Roboterarm (erstes starres Element) weiterhin im Bewegung bleibt, d.h. eine Rotation um die erste Drehachse mit einer von Null verschiedenen Winkelgeschwindigkeit ausführt. Damit der Effektor trotz der Rotation des ersten starren Elements stillstehen kann, werden das zweite und das dritte starre Element mittels des zweiten rotatorischen Antriebs und gegebenenfalls auch mittels des dritten rotatorischen Antriebs derart bewegt, dass sie die Verschiebung des Ort der zweiten Drehachse (aufgrund der Rotation des ersten starren Elements) kompensieren. Eine solche kompensierende Bewegung kann im Regelfall maximal 1/3 (also ca. 33,3%) einer Umdrehung des ersten starren Elements andauern. Diese Zeit reicht jedoch regelmäßig aus, um beispielsweise „Pick and Place" - Aufgaben des Roboters an einem Objekt (z.B. das Ergreifen oder das Ablegen eines Objektes) zu realisieren. Der Hauptvorteil besteht in einer Energieersparnis aufgrund des geringer dimensionierten Antriebs in der dritten Achse sowie darin, dass die kinetische Energie des Systems (aufgrund der Vermeidung des Stillstandes der Arme - d.h. zumindest des ersten und zweiten starren Elements) nicht vollständig verloren geht. So ist es möglich, die (während des Ergreifens eines Objektes) in den Armen des Roboters gespeicherte kinetische Energie zum Beschleunigen des (ergriffenen) Objektes und Effektors zu verwenden. Eine geringere Dimensionierung des Antriebs in der dritten Achse kann deshalb erfolgen, weil die Roboterarme (erstes und zweites starres Element) zum Ergreifen oder Ablegen eines Objektes (und damit zum Stillstand des Effektors) selbst nicht bis zum Stillstand abgebremst und daher nachfolgend zum Transport des Objektes nicht aus dem Stillstand heraus beschleunigt werden müssen. Daher sind die in der dritten Drehachse benötigten Kräfte deutlich geringer, so dass der in der dritten Drehachse angeordnete rotatorische Antrieb bzgl. seines Nennabtriebsmomentes deutlich geringer dimensioniert werden kann. Diejenige Bewegung, bei welcher der Effektor stillsteht, obwohl der Arm (3 starre Elemente) in Bewegung sind, soll nachfolgend als Nullraumbewegung bezeichnet werden. Diejenige Bewegung, bei welcher der Effektor bewegt wird, soll nachfolgend als Transportbewegung bezeichnet werden.
Der erfindungsgemäße Roboter weist nach der Erfindung mindestens einen linearen Vertikalantrieb und eine Basis auf, welche eine erste, vertikal angeordnete Drehachse mit einem ersten rotatorischen Antrieb aufweist, wobei die erste Drehachse fest mit einem ersten starren, im Wesentlichen horizontal angeordneten Element verbunden ist, welches drehbeweglich über eine zweite, vertikal angeordnete Drehachse mit einem zweiten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element verbunden ist, wobei die zweite Drehachse von der ersten Drehachse beabstandet angeordnet ist und einen zweiten rotatorischen Antrieb aufweist und das zweite starre Element über eine dritte Drehachse drehbeweglich mit einem dritten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element verbunden ist, wobei die dritte Drehachse von der zweiten Drehachse beabstandet angeordnet ist und einen dritten rotatorischen Antrieb aufweist und das dritte starre Element mit einem Effektor verbunden ist und der mindestens eine lineare Vertikalantrieb mit der Basis, dem Effektor oder einer der Drehachsen verbunden ist, wobei der dritte rotatorische Antrieb ein Nennabtriebsmoment kleiner oder gleich 50% des Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist der dritte rotatorische Antrieb ein Nennabtriebsmoment kleiner oder gleich 25% des Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs auf. In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung genügt
das Nennabtriebsmomerit des dritten rotatorischen Antriebs der Bedingung
6 - π - r -l - m M, 3 - < wobei r die Länge der Strecke vom Effektormittelpunkt zum Schwerpunkt ist, welcher durch das dritte starre Element, einen gegebenenfalls vorhandenen Vertikalantrieb, den Effektor sowie die Traglast definiert wird, und I die Länge des dritten starren Elements, m die Masse eines gegebenenfalls vorhandenen Vertikalantriebs, des Effektor sowie der gegebenenfalls vorhandenen Traglast und t maximale Zeit zur Ausführung einer Nullraumbewegung ist. Unter Gewicht des Effektors sollen auch das Gewicht einer gegebenenfalls am Effektor angeordneten Hubeinheit (vertikaler Linearantrieb) sowie einer gegebenenfalls vorhandenen Achse für die Rotation des Effektors berücksichtigt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung (in der zwei Roboterarme mit je 3 starren Elementen vorgesehen sind, wobei in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung die beiden ersten starren Elemente durch eine fest mit dem ersten Antrieb verbundene starre Scheibe ausgebildet sind) ist das erste starre Element über eine vierte vertikal angeordnete Drehachse mit einem vierten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element drehbeweglich verbunden, wobei die vierte Drehachse einen vierten rotatorischen Antrieb und den gleichen Abstand von der ersten Drehachse wie die zweite Drehachse aufweist und in Bezug auf die erste Drehachse gegenüber der zweiten Drehachse angeordnet ist und das vierte starre Element über eine fünfte Drehachse drehbeweglich mit einem fünften, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element verbunden ist, die fünfte Drehachse einen fünften rotatorischen Antrieb aufweist und das dritte starre Element und das fünfte starre Element jeweils mit einem Effektor verbunden sind und das zweite Element die gleiche Länge wie das vierte Element und das dritte Element die gleiche Länge wie das fünfte Element aufweisen und das Nennabtriebsmoment des dritten rotatorischen Antriebs dem Nennabtriebsmoment des fünften rotatorischen Antriebs entspricht oder im Wesentlichen entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist jeder Effektor einen rotatorischen Antrieb und einen linearen Vertikalantrieb auf. Alternativ kann der mindestens eine lineare Vertikalantrieb jedoch auch mit der Basis oder einer der anderen Drehachsen, vorzugsweise der ersten Drehachse, verbunden sein. Das Grundmodell weist daher fünf Antriebe, nämlich einen Antrieb, welcher das erste starre Element mit der Basis verbindet, einen Antrieb zwischen erstem starren und zweitem starren Element, einen gering dimensionierten Antrieb zwischen zweitem starren und drittem starren Element und zwei Antriebe für den Effektor auf. Das erweiterte Modell mit zwei Roboterarmen weist, sofern jeder Effektor einen rotatorischen und linearen Vertikalantrieb aufweist, insgesamt neun Antriebe auf, nämlich den Antrieb zwischen Basis und erstem starren Element, die zwei Antriebe zwischen erstem starren Element und -zweitem bzw. viertem starren Element sowie den Antrieb (gering dimensioniert) zwischen zweitem Element und drittem Element sowie den Antrieb (gering dimensioniert) zwischen viertem Element und fünftem Element sowie die vier Antriebe für die zwei Effektoren. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsvariante weisen alle Antriebe beziehungsweise die mit diesen Antrieben verbundenen Drehachsen und Hubachsen Bremsen auf. Das Verhalten des erfindungsgemäßen Roboters ist insbesondere für „Pick- and Place" - Aufgaben sehr gut geeignet. Die Positionierung des mindestens einen Effektors des Roboters wird nachfolgend beschrieben:
Die Positionierung des Effektors lässt sich in zwei Kategorien unterteilen, zum einen in die Nullraumbewegung, bei welcher der Effektor stillsteht, obwohl das erste starre Element des Roboters in Bewegung ist (rotiert) und zum anderen die Transportbewegung, bei welcher der Effektor bewegt wird.
Zuerst wird die Nullraumbewegung näher beschrieben. Grundsätzlich sind für die Positionierung in einer Ebene lediglich zwei Achsen mit jeweils einem rotatorischen Freiheitsgrad in dieser Ebene erforderlich. Dabei lässt sich für jede Koordinate in der Ebene maximal zwei mögliche Winkelstellung der beiden Achsen zuordnen. Verfügt der Roboter über drei Achsen in dieser Ebene, so lassen sich einer Koordinate sehr viele mögliche Winkeisteilungen der Achsen zuordnen. Dies ist vergleichbar mit einer Hängebrücke, die an beiden Enden unbeweglich ist, aber die Einzelnen Elemente dazwischen dennoch bewegt werden können. Genauso wie die Hängebrücke kann auch der Roboterarm zwischen seiner festen Basis und dem Effektor, der im Raum stillstehen soll, eine Bewegung des Arms ausführen. Der Unterschied besteht darin, dass bei der Hängebrücke der Stillstand der beiden Enden Voraussetzung ist und beim Roboter der Stillstand des frei im Raum stehenden Effektors das Ziel darstellt.
Für das Verständnis der Abläufe bei der Nullraumbewegung ist die Betrachtung des dritten starren Elements besonders relevant. Damit der Effektor, also das Ende des dritten starren Elements im Raum still steht, ist es erforderlich, dass sich das dritte starre Element auf einer Kreisbahn (Teilkreis) um den Effektor bewegt. Diese Bewegung (der dritten Drehachse auf einem Kreisbogen um den ruhenden Effektor) kann bei gleich bleibender Geschwindigkeit (also konstante Winkelgeschwindigkeit) erfolgen, oder es kann eine Beschleunigung auftreten, welche der Richtung der Geschwindigkeit gleichgerichtet, oder entgegengesetzt ist (Bremsvorgang). Rotiert ein Körper mit konstanter Geschwindigkeit, so wirkt auf diesen nur eine Zentripetalkraft. Diese zeigt in radialer Richtung vom Drehmittelpunkt weg und wirkt somit längs des dritten starren Elements. Eine Kraft, die entlang einem länglichen Körper wirkt, wird Normalkraft genannt. Eine quer wirkende Kraft heißt Querkraft. Die dritte Achse ist am zur Basis näher gelegenen Ende des dritten starren Elements angeordnet; der Kraftvektor der Zentripetalkraft zeigt darum durch diese Achse hindurch. Aus diesem Grund ist es möglich, die Wirkung der Zentripetalkraft durch eine betragsmäßig gleiche Kraft zu neutralisieren, die an der dritten Achse anliegt und der Zentripetalkraft entgegengerichtet ist: Die dritte Drehachse besitzt einen rotatorischen Freiheitsgrad. Translatorisch ist die Achse jedoch bestimmt. Dies hat zur Folge, dass keine Momente vom zweiten in das dritte starre Element übertragen werden können. Das Abtriebsmoment des dritten Antriebs ist zudem gering. Kräfte können jedoch aufgrund der translatorischen Bestimmtheit der dritten Achse über diese in das dritte starre Element eingeleitet werden. Bei einer gleichförmigen Rotation des dritten starren Elements um den Effektor muss lediglich eine Kraft zum Ausgleich der Zentripetalkraft in das dritte starre Element über die dritte Achse eingeleitet werden. Diese Kraft kann nur durch die Leistung des ersten und zweiten Antriebs über die translatorische Bestimmtheit der dritten Achse in das dritte starre Element eingeleitet werden. Der dritte Antrieb hingegen kann lediglich ein Moment im dritten starren Element erzeugen. Für die Steuerung der Nuilraumbewegung bei gleichförmiger Rotation des dritten starren Elements um den Effektor wird der dritte Antrieb also nicht benötigt. Die Nullraumbewegung mit beschleunigter Drehbewegung des dritten starren Elements um den Effektor ähnelt der gleichförmigen Bewegung; es kommen jedoch zusätzliche Kräfte für die (rotatorische) Beschleunigung hinzu. Am einfachsten lässt sich die (rotatorische) Beschleunigung erzeugen, in dem ein Moment am Effektor angelegt wird; dies ist jedoch wegen der vorliegenden Aufgabenstellung nicht möglich. Kräfte oder Momente müssen durch die dritte Achse übertragen werden. Durch eine Kräftezerlegung ist es möglich, eine Kraft in mehrere Teilkräfte zu zerlegen, wobei die Teilkräfte die gleiche Wirkung hervorrufen. Es ist jedoch nicht möglich, ein Moment, das am Effektor anliegen sollte, allein durch Kräfte (also ohne Momente),die an der dritten Achse anliegen, zu ersetzen. Dazu ist eine Kombination von Kraft und Moment in der dritten Achse notwendig. Das benötigte Moment in der dritten Achse kann nur durch den (dritten - gering dimensionierten) Antrieb in dieser (dritten) Achse erzeugt werden. Für die Steuerung der Nullraumbewegung bei beschleunigter Rotation des dritten starren Elements um den Effektor (bzw. dessen Mittelpunkt) ist darum der dritte Antrieb nicht ersetzbar. Vorteilhafterweise liegt der gemeinsame Schwerpunkt von drittem starren Element, Effektor und einer Hubachse am Effektor sehr dicht am Effektor. Dadurch wird begünstigt, dass das benötigte Abtriebsmoment des dritten Antriebs gering bleiben kann. Die Beschleunigung des dritten starren Elements durch eine Kraft an der dritten Achse erzeugt eine Rotation des starren Elements, deren Zentrum nicht im Mittelpunkt des Effektors liegt, sondern in der Nähe des genannten MassenschwerpunktesrτB4]. Die Entfernung des unerwünschten Drehmittelpunkts zum Mittelpunkt des Effektors ist jedoch gering. Dadurch ist auf die Positionsabweichung des Effektors von seiner eigentlichen Ruhelage ebenfalls gering. Diese geringe Abweichung muss durch den dritten Antrieb ausgeglichen werden, sowie durch eine Kraft, die ihren Ursprung ebenfalls in der dritten Achse hat. Bei der Steuerung der Nullraumbewegung mit beschleunigtem drittem starrem Element (beschleunigte Rotation des dritten starren Elements um den Effektor) ist also lediglich ein geringes Abtriebsmoment erforderiich, weswegen der dritte rotatorische Antrieb gering dimensioniert werden kann. Neben der oben genannten Einleitung eines Momentes für die Nullraumbewegung bei beschleunigter Rotation des dritten starren Elements um den Effektor wird der dritte Antrieb weiterhin für die Regelung während der (später noch detaillierter beschriebenen) Transportbewegung benötigt. 5 Grundsätzlich wird für die Transportbewegung, d.h. die Steuerung des Roboters von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt vom Controller eine passende Bahnbewegung des Roboterarms errechnet. Dazu liegen Informationen über den mechanischen Aufbaus des Arms, die Winkelstellung der Achsen im Ausgangspunkt und die Koordinaten des Zielpunktes vor. Aus diesen 10 Informationen werden die Verläufe der benötigten Motormomente (des ersten und zweiten Antriebes) über die Zeit vorausbestimmt. Wird nun der entsprechende Strom zur Erzeugung des gewünschten Momentenverlaufes in die Antriebe (erster und zweiter Antrieb) eingeleitet, so bewegt sich der Roboter entsprechend der berechneten Bahn. In der Praxis treten jedoch eine ganze 15 Reihe von Störgrößen auf, die den Roboter bei der Transportbewegung von seinem Kurs abbringen und das Verfehlen des Zielpunktes bewirken. Darunter fallen die Reibung, Materialnachgiebigkeit, Lagerspiel und thermische Ausdehnungen. Darum verfügt ein Roboter über einen Regelkreis. Dieser misst permanent die erforderlichen Prozessgrößen wie Winkelstellungen und - 20 geschwindigkeiten der Achsen. Die Abweichungen während der Bewegung werden an die Steuerung weitergeleitet, die umgehend eine Anpassung bzw. Bahnkorrektur vornehmen kann. Bei der Bahnberechnung durch die Steuerung wird nun stets eine Leistungsreserve der Antriebe (erster und zweiter Antrieb) berücksichtigt. Diese Leistungsreserven können während der Bahnbewegung
25 dank des Regelkreises für die Bahnkorrektur verwendet werden. Die dritte Achse ist nun mit einem derart leistungsschwachen Antrieb ausgestattet, dass er für die Bahnplanung (bei der Transportbewegung) von vernachlässigbarer Bedeutung ist. Sein Leistungsbeitrag für die Beschleunigung des Roboters (bei der Transportbewegung) und damit auch sein Beitrag zu einer kurzen
30 Zykluszeit des Roboters ist vernachlässigbar. Für die erste Berechnung der Bahn durch die Steuerung kann der dritte Antrieb darum unberücksichtigt bleiben. Da jedoch auch in der dritten Achse Störeinflüsse auftreten muss ein Antrieb für die Regelung vorhanden sein, der es erlaubt diese störenden Momente und Kräfte in der dritten Achse auszugleichen.
•35 Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der dritte Antrieb bei der Transportbewegung lediglich zur Kompensation von Störeinflüssen und bei der Nullraumbewegung (lediglich im Falle einer beschleunigten Rotation der dritten Drehachse um den Effektor) für das Einleiten eines. Momentes benötigt wird, wodurch der dritte Antrieb vorteiihafterweise sehr gering dimensioniert werden kann. Da die Nullraumbewegung zeitlich kürzer als die Transportbewegung ist (die Einsatzzeit des dritten Antriebs für die Steuerung liegt daher insgesamt unter 50%), kann der dritte Antrieb in der kurzen Nutzungsphase wesentlich über das Nenndrehmoment des Herstellers hinaus belastet werden. Die mögliche Drehmomenterhöhung liegt im Bereich von 25 bis 50% über dem Nenndrehmoments. Dies führt ebenfalls dazu, dass der dritte Antrieb gering dimensioniert werden kann.
Nachfolgend soll die Transportbewegung näher beschrieben werden. Grundsätzlich sind sehr viele, unterschiedliche Transportbewegungen möglich. Entscheidend für die Auswahl der Bewegung ist die Dimensionierung des Roboters, sowie das Ende der Nullraumbewegung. Abhängig davon, ob das zweite und das dritte starre Element nach innen, Richtung erste Drehachse einklappt (nachfolgend auch als Innenschwung bezeichnet), oder nach außen, von der ersten Drehachse weg (nachfolgend auch als Außenschwung bezeichnet), muss eine unterschiedliche Bewegung gewählt werden.
Zunächst soll die Innenschwung-Bewegung näher erläutert werden. Unabdingbar ist zu Beginn der Transportbewegung (also nach einer Nullraumbewegung, denn Transportbewegung und Nullraumbewegung wechseln sich stets ab) eine schnelle Einklappbewegung des zweiten und dritten starren Elements in Richtung der ersten Drehachse. Die zweite Drehachse bringt dazu zunächst ihre maximale Leistung auf, um die Einklappbewegung zu beschleunigen. Durch die Impulseinleitung während der Übergangsphase von der Nullraumbewegung erhält der Effektor eine starke Beschleunigung in Richtung der zweiten Achse. Der Geschwindigkeitsanteil in dieser Richtung ist darum im Effektor sehr stark. Zu Beginn der Einklappbewegung erhöht der zweite Antrieb den Geschwindigkeitsanteil des Effektors in dieser Richtung sehr stark. Der Effektor bewegt sich bereits nach wenigen Augenblicken wesentlich schneller als die zweite Achse. Der Effektor nähert sich somit rasch der zweiten Achse. Je weiter das zweite und das dritte starre Element eingeklappt werden, desto mehr bewirkt die Momenteinleitung des zweiten Antriebs eine Kraftübertragung in den Effektor, die zu einer Beschleunigung in Richtung erster Drehachse führt. Darum wird die Momenteinleitung der zweiten Achse schnell auf Null reduziert. Die Bewegung des Effektors wird nun etwas von seiner geradlinigen Bahn abgebracht, in Richtung erster Drehachse. Da sich die zweite Drehachse ebenfalls auf einer Kreisbahn (Kreisbogen) um die erste Drehachse befindet, wird dadurch der Effektor jedoch eher weiter in Richtung der neuen Position der zweiten Drehachse ausgerichtet. Es zeigt sich jedoch, dass die Krümmung der Bahn des Effektors stärker ist, als die der Bahn der zweiten Drehachse. Somit wird der Effektor nicht direkt unter der zweiten Drehachse hindurchschwingen, sondern ein wenig in Richtung der ersten Drehachse versetzt. Dies wird bei der Dimensionierung des Roboters berücksichtigt, in dem das dritte starre Element vorzugsweise kürzer als das zweite starre Element ist. Bei der Bewegung wird dies weiterhin dadurch berücksichtigt, dass zum Zeitpunkt, zu dem sich der Effektor zwischen zweiter und erster Drehachse befindet, die dritte Drehachse bereits in Bewegungsrichtung der zweiten Drehachse wesentlich weiter nach vorne bewegt wurde. Hierzu sind keine besonderen Steuerungsmaßnahmen erforderlich. Der Schwung aus der Anfangsphase der Bewegung reicht aus, sofern die Antriebsleitung vom zweiten Antrieb richtig gewählt wird. Die Bewegung setzt sich fort, bis sich der Effektor und die dritte Drehachse auf der Linie des Geschwindigkeitsvektors der zweiten Drehachse zu diesem Zeitpunkt befinden (Dies ist die Tangentiale durch die zweite Drehachse zu diesem Zeitpunkt). Der Effektor hat somit die zweite Drehachse überholt; das zweite und das dritte starre Element liegen übereinander. Die Winkelstellung beträgt circa 180° (gemäß Definition). Der Effektor kann sich in dieser Position nicht weiter nach vorne von der zweiten Drehachse entfernen, da die Position der starren Elemente zwei und drei in dieser Richtung eine Hemmung verursachen. Der Geschwindigkeitsanteil des Effektors, der in Längsrichtung der starren Elemente zwei und drei zeigt, wird vollständig von einer Normalkraft aufgenommen, die durch die Hemmung in den starren Elementen entsteht und der Bewegungsrichtung entgegenwirkt. Diese Gegenkraft hat sich bereits vor der 180° Stellung allmählich aufgebaut. Dabei hat sie bereits eine Abbremsung bewirkt, und die Richtung der Bewegung des Effektors derart umgeleitet, dass sich der Effektor nicht mehr der ersten Achse annähert, sondern sich leicht von dieser entfernt. Während der 0°-Stellung bleibt diese Geschwindigkeitskomponente erhalten, da sie nicht von der Hemmung beeinflusst wird. Die Geschwindigkeit der zweiten Drehachse muss durch die Leistung des zweiten Antriebs so weit reduziert werden, dass sich Effektor und dritte Achse auf einer Kreisbahn (Kreisbogen) um die zweite Drehachse mit nahezu gleicher Geschwindigkeit bewegen. Die 180° Stellung der dritten Drehachse bleibt dabei in etwa erhalten. Erst wenn die dritte Drehachse in Richtung der Bewegung der zweiten Drehachse hinter dieser angelangt ist, wird ersichtlich, dass die Drehgeschwindigkeit des Effektors um die zweite Drehachse ein wenig größer war, als die der dritten Drehachse und die 180°- Stellung der dritten Drehachse allmählich verlassen wurde. Der Effektor hat somit das zweite starre Element überholt, sein Geschwindigkeitsvektor zeigt nun in Richtung der ersten Drehachse. Die zweite Drehachse wird zu diesem Zeitpunkt erneut durch den zweiten Antrieb beschleunigt. Dies bewirkt auch eine Beschleunigung des Effektors. Hauptsächlich jedoch hat dieser Vorgang eine Bahnabweichung des Effektors zur Folge, deren Auswirkung zunimmt, je weiter der Winkel an der dritten Drehachse betragsmäßig in den Bereich von 90° abfällt. Die Abweichung erfolgt in Richtung der Bewegung der zweiten Drehachse. Die Leistung des zweiten Antriebs muss dabei so gewählt werden, dass der Effektor zunehmend in Richtung auf die Zielkoordinate ausgerichtet wird. Nun wird ein Zeitpunkt für die Leistungsumkehr des zweiten Antriebs gewählt, der ein Abbremsen des Effektors bewirkt. Abhängig davon, wie rasch der Roboter die 180°-Stellung der dritten Drehachse verlassen hat, der richtigen Steuerung der Beschleunigungsphase der zweiten Drehachse sowie der Abbremsphase, erreicht der Roboter den Zielpunkt in genau der Art und Weise, wie es für die Einleitung einer Nullraumbewegung erforderlich ist. Die Vorraussetzungen für die Einleitung einer Nullraumbewegung aus der Transportbewegung bzw. die Vorraussetzungen für die Einleitung einer Transportbewegung aus der Nullraumbewegung heraus werden später noch näher erläutert.
Nachfolgend soll die Außenschwung-Bewegung näher erläutert werden. Diese Bewegung ist geringfügig langsamer als die Innenschwung-Bewegung. Einsetzbar ist sie, wenn die Nullraumbewegung endet, in dem das zweite und dritte starre Element in Richtung von der ersten Drehachse weg einknicken. Hierbei ist der Beginn dieser Transportbewegung entscheidend. Die Antriebsleistung des zweiten Antriebs, die in den ersten Augenblicken zur Verfügung steht ist maßgeblich für die Transportzeit verantwortlich. Darum wird der Motor vorzugsweise für die erste Zeit (im Bereich einiger ersten hundertstel Sekunden) über seine Nennleistung hinaus bis an seine Leistungsgrenze belastet werden. Das Motormoment wirkt in der Anfangsphase der Einknickbewegung unterstützend, also in Richtung der Winkelbewegung der zweiten Drehachse. Dabei wird die Beschleunigung des Effektors in Richtung der zweiten . Drehachse erhöht. Zusätzlich kommt eine geringe Geschwindigkeitskomponente hinzu, die eine Bahnabweichung des Effektors in Richtung von der ersten Drehachse weg zur Folge hat. Diese Abweichung steigt mit zunehmender Annäherung des Effektors an die zweite Drehachse an, da das zweite und dritte starre Element immer weiter eingeklappt werden und sie ist unerwünscht. Darum wird das Abtriebsmoment rasch reduziert. Nachteilig wirkt sich ebenfalls die Kreisbahn (Kreisbogen) der zweiten Drehachse aus. Deren Krümmung verläuft in die entgegengesetzte Richtung als die Krümmung der Effektorbahn. Somit findet zwar eine Annäherung des Effektors an die zweite Drehachse statt; die Bahnen werden sich jedoch nicht überschneiden. Es müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, damit sich der Effektor nicht auf eine Bahn bewegt, die zu weit von der zweiten Drehachse entfernt ist. Das dritte starre Element ist vorzugsweise nur wenig kürzer als das zweite, in einer bevorzugten Ausführungsvariaήten beträgt die Länge des dritten starren Elements zwischen 90% und 100% der Länge des zweiten starren Elements. In der 180°-Stellung der dritten Drehachse muss der Effektor also sehr dicht an die zweite Drehachse heranbewegt werden. Dazu wird wie beschrieben das Antriebsmoment kurz nach Beginn der Transportbewegung wieder abgeschaltet. Gegebenenfalls muss die Wirkrichtung der Antriebsleistung von Antrieb zwei sogar umgekehrt werden und die Winkelgeschwindigkeit der zweiten Drehachse reduzieren. Dadurch wird die Bahnbewegung der dritten Drehachse verlangsamt und bewegt sich nicht so rasch wie der Effektor. Je schneller die 0°-StelIung der dritten Drehachse dadurch erreicht wird, desto geringer fällt die für die 0°-Stellung unerwünschte Abweichung der Bahn der zweiten Achse von einer gedachten geradlinigen Bewegung aus. Bei dieser Transportbewegung wird die 180°- Stellung der dritten Drehachse vom dritten starren Element möglichst rasch durchlaufen. Die Winkelgeschwindigkeit der dritten Drehachse soll darum zum Zeitpunkt der 180°-Stellung möglichst hoch sein. Der Effektor schwingt unter dem starren Element hindurch. Sobald die dritte Drehachse um circa 15° ausgeschlagen ist, beginnt die Momenteinleitung des zweiten Antriebs erneut und beschleunigt die Winkelgeschwindigkeit der zweiten Drehachse. Diese bewegt sich immer noch in Drehrichtung der ersten Drehachse. Der Beginn der Momenteinleitung und der Betrag der Leistung müssen hier genau berechnet sein, da hier ein sensibler Bereich der Bewegung vorliegt. Bereits eine kleine Momentänderung hat einen großen Einfluss auf die Position der zu beginnenden Nullraumbewegung. Die Momenteinleitung muss so gewählt werden, dass der Effektor nicht mehr unter das zweite starre Element gelangt, sondern seine Distanz rasch ausbaut. Weiterhin muss sich die Bahn des Effektors zunehmend einem geraden Verlauf annähern, mit Richtung auf die Zielkoordinate. Anschließend kann der Übergang zur Nullraumbewegung erfolgen, da sich die dritte Achse der 0°-Stellung (das heißt 0° zwischen zweitem starren Element und drittem starren Element) annähert.
Nachfolgend sollen gemeinsame Merkmale für den Übergang von der Transport- zur Nullraumbewegung erläutert werden.
Während der Transportbewegung befindet sich der gesamte Roboterarm (d.h. alle starren Elemente) in einer schnellen Bewegung. Beim Übergang zur Nullraumbewegung soll die Bewegungsenergie des Roboterarms erhalten bleiben, das bedeutet, der Arm soll auch während der Nullraumbewegung weiterbewegt werden. Wichtig ist die Betrachtung des Effektors. Dieser muss . bei dem Übergang möglichst rasch von einer hohen Geschwindigkeit in eine vollständige Ruheposition auf einer im Voraus berechneten Koordinate kommen. Unabhängig von der Art der Transportbewegung, die davor ausgeführt wurde, und der Koordinate, die angefahren werden soll, weisen alle Übergänge bestimmte Merkmale auf, die es ermöglichen, einen raschen Stillstand des Effektors zu gewährleisten:
1. Für den Moment der Übergangsphase kommen für die dritte Drehachse nur zwei Winkelstellungen in Frage. Dies ist zum Einen die vollständige Streckung von zweitem zu drittem starrem Element. Die Distanz von Effektor zu zweiter Achse ist maximal. Diese Stellung von zweiter und dritter Achse soll als 0°-Stellung verstanden werden. Zum Anderen die Winkelstellung der dritten Achse in Betracht, bei der das zweite und dritte starre Element genau übereinander liegen. Diese Stellung von zweiter und dritter Achse soll als 180°-Stellung verstanden werden. Die Distanz von Effektor zu zweiter Drehachse ist hier minimal. Zweites und drittes starres Element sind in beiden Winkelstellungen gleich ausgerichtet (die Längsrichtungen stimmen überein).
2. Der Bremsvorgang beruht weiterhin darauf, dass der Geschwindigkeitsvektor des Effektors im Augenblick der Bremsphase entlang dem zweiten und dritten starren Element zeigt. Die Bremskraft zeigt dadurch ebenfalls längs der beiden starren Elemente; es handelt sich darum um eine Normalkraft in den starren Elementen zwei und drei. Diese Normalkraft kann in Form einer Zug- oder Druckkraft auftreten. Diese sind sehr vorteilhaft für die Konstruktion des Roboters, da Normalkräfte im Gegensatz zu Querkräften von den Gliedern eines Roboters sehr gut aufgenommenen werden können, ohne dass eine spezielle Versteifung erforderlich ist.
3. Entsprechend (1.) und (2.) entsteht durch das Abbremsen des Effektors lediglich eine Normalkraft in zweitem und drittem starren Element. Diese kann in Form einer Zug- oder Druckkraft auftreten. Diese Kräfte haben jedoch bei den Winkelstellungen 0° und 180° keinen Einfluss auf die dritte Drehachse, da sie lediglich translatorisch wirken können, die dritte Drehachse aber keinen translatorischen Freiheitsgrad aufweist. Der Effektor wird somit daran gehindert, die Distanz zu der zweiten Drehachse zu erhöhen.
4. Für eine noch detailliertere Beschreibung der Bewegung des Arms muss eine Unterscheidung zwischen den beiden Armstellungen erfolgen:
4.1. Damit der Arm die 0°-Stellung der dritten Drehachse unter Berücksichti- gung der genannten Voraussetzungen erreicht, muss sich der Effektor während der Transportbewegung in der Nähe der zweiten Drehachse befinden. Die dritte Drehachse muss dazu sehr weit eingeklappt sein, im Bereich von betragsmäßig mindestens circa 150°. Weiterhin besitzt der Effektor einen Geschwindigkeitsvektor, der von der zweiten Dreh- achse wegzeigt. Wäre der Effektor eine punktförmige Masse und das zweite und dritte starre Element masselos, so würde der Effektor eine geradlinige Bahnbewegung ausführen, entlang dem Geschwindigkeitsvektor. Das zweite und dritte starre Element würde solche Stellungen einnehmen, welche die geradlinige Bahn des Effektors begünstigen, da dieser der massebehaftete Körper ist. Dieses Verhalten, welches auch die Winkelbewegungen der zweiten und dritten Drehachse bestimmt, würde so lange fortgesetzt, bis die maximale Reichweite von zweitem und drittem starrem Element erreicht wäre. Dies ist bei der 0° Stellung der dritten Drehachse der Fall. Die entfernende Bewegung des Effektors von der zweiten Drehachse endet umgehend. Die zweite und dritte Drehachse besitzen zum Zeitpunkt der 0° Stellung eine hohe Winkelgeschwindigkeit. Die Achsen schwingen somit durch. Die entfernende Bewegung des Effektors wird umgekehrt, es kommt zu einer Verkürzung der Distanz von zweiter Drehachse zu Effektor. Diese Verkürzung ist vorteilhaft. Die zweite Drehachse bewegt sich mit der Umfangsge- schwindigkeit des ersten starren Elements. Diese Bewegung ist zum
Zeitpunkt des Beginns der Nullraumbewegung derart gerichtet, dass sich die Distanz zu der Zielkoordinate des Effektors verringert, während sie sich gegen Ende der Nullraumbewegung wieder erhöht. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, dass sich die Distanz von Effektor und zweiter Drehachse ebenfalls wie beschrieben zu Beginn der Nullraumbewegung verringert und die Annäherung der zweiten Achse an die Zielkoordinate kompensiert. Dazu muss die Annäherungsgeschwindigkeit von Effektor zu zweiter Drehachse genau auf die Annäherungsbewegung von zweiter Drehachse zur Zielkoordinate abgestimmt sein. In der Rea- lität besitzen das zweite und das dritte starre Element eine Masse, die nicht vernachlässigbar ist, aber im Verhältnis zur Masse des Effektors gering ist. Diese Masse erweist sich als Störgröße bei der geradlinigen Entfernungsbewegung des Effektors von der zweiten Drehachse und bei der Annäherungsbewegung. Weiterhin muss. während der Entfer- nungsbewegung die Geschwindigkeit des Effektors so weit reduziert werden, dass die darauf folgende Annäherungsbewegung exakt mit der Annäherungsbewegung der zweiten Drehachse zum Effektor übereinstimmt. Dies wird während der Annäherungsbewegung durch ein Abbremsen der Winkelgeschwindigkeit der zweiten Drehachse durch den zweiten Antrieb erreicht. Dadurch wird jedoch die geradlinige Bahn des
Effektors ebenfalls gestört. Diese Störelemente führen zu einer Krümmung der geradlinigen Bahn des Effektors. Es ist nun Aufgabe der Steuerung, diese Elemente bei der Bahnplanung zu berücksichtigen, so dass der Geschwindigkeitsvektor bei Erreichen der 0° Stellung dennoch in Längsrichtung der starren Elemente zwei und drei zeigt. Es ist mög- lieh, diese Elemente derart zu beeinflussen, dass der Effektor genau über der Ziel koordinate zum Stillstand kommt. 4.2. Bei der zweiten Nullraumbewegung erfolgt der Übergang von der Transportbewegung prinzipiell bei einer 180° Stellung der dritten Dreh- achse. Merkmal dieser Nullraumbewegung ist ihre lange Dauer. Außerdem ist der Effektor für bei nicht überall im Arbeitsraum positioniert werden. Aus diesen beiden Gründen ist es vorteilhaft, einen Kompro- miss einzugehen. Der Effektor könnte dabei nicht vollständig zum Stillstand kommen. Er könnte mit einer geringeren Geschwindigkeit an Position verbracht werden, die er ansonsten nicht einnehmen könnte und dort auf irgend eine Art und Weise gestoppt werden.
Nachfolgend sollen gemeinsame Merkmale für den Übergang von der Nullraum- zur Transportbewegung erläutert werden.
Das Ende der Nullraumbewegung bildet die Grundlage für eine neue Transportbewegung. Zu diesem Zeitpunkt ist das zweite und dritte starre Element vollständig gestreckt, die dritte Drehachse befindet sich also in der 0°- Stellung. Eine weitere Entfernung der zweiten Drehachse vom Effektor ist nicht möglich. Somit wird der Effektor umgehend beschleunigt. Die Impulseinleitung in den Effektor führt in etwa zu einer Geschwindigkeit, welche der Geschwindigkeit der zweiten Drehachse entspricht. Außerdem befinden sich die starren Elemente zwei und drei in Bewegung. Die zweite Drehachse rotiert dazu im umgekehrten Drehsinn gegenüber der dritten Drehachse. Dies führt zu einer Verkürzung der Distanz von Effektor zu zweiter Drehachse und somit zu einer weiteren Beschleunigung des Effektors. Die Drehrichtung des dritten starren Elements ändert sich in der Regel während der Nullraumbewegung. Darum endet jede Nullraumbewegung mit einem anderen Drehsinn der dritten Drehachse. Entsprechend muss eine geeignete Transportbewegung gewählt werden, die als Anschlussbewegung geeignet ist.
Bisher ist die Positionierung des Effektors auf einen ruhenden vordefinierten Ort (Zielkoordinate) vorgenommen worden. Natürlich ist es auch ohne Weiteres möglich, das vorgenannte Positionierungsverfahren auf einen bewegte Zielkoordinate zu applizieren. In diesem Fall ist es vorgesehen, die Geschwindigkeitskomponenten des vordefinierten Ortes (der Zielkoordinate) additiv auf den Roboter zu übertragen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass das Verfahren zum Positionieren eines Effektors eines Roboters an einen vordefinierten Ort für ein vorgegebenes Zeitintervall (Nullraumbewegung) durch: - Verbringen des Effektors an den vordefinierten Ort zu Beginn des Zeitintervalls, wobei die zweite Drehachse und die dritte Drehachse mittels des ersten und des zweiten rotatorischen Antriebs derart ausgerichtet werden, dass sich die zweite Drehachse, die dritte Drehachse und der Effektor zu Beginn des Zeitintervalls auf einer Geraden befinden und das um die erste Drehachse rotierende erste starre Element zu Beginn des Zeitintervalls eine von Null verschiedene Winkelgeschwindigkeit aufweist,
- Beaufschlagung des ersten starren Elements während des Zeitintervalls mittels des ersten rotatorischen Antriebs derart, dass der Betrag der Winkelgeschwindigkeit des ersten starren Elements während des Zeitintervalls stets größer als Null ist und
- Beaufschlagung des zweiten und des dritten starren Elements während des Zeitintervalls mittels des ersten und zweiten rotatorischen Antriebs und gegebenenfalls auch mittels des dritten rotatorischen Antriebs derart, dass sich die dritte Drehachse während des Zeitintervalls auf einem Kreisbogen um den vordefinierten Ort bewegt und der Effektor trotz der Rotation des ersten starren Elements um die erste Drehachse während des Zeitintervalls am vordefinierten Ort verweilt
gekennzeichnet ist. Vorzugsweise wird derjenige Teil des Effektors am vordefinierten Ort für das vorgegebenes Zeitintervall positioniert wird, welcher mit einem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt tritt.
Grundsätzlich bedarf ein im Ruhezustand befindlicher Roboter (alle starren Elemente stehen still) einer Startbewegung, die entweder in eine Transportbewegung oder in eine Nullraumbewegung übergeht. Hier kommen unterschiedlichste Bewegungsabläufe in Betracht, wobei nachfolgend eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Startbewegung beschrieben werden soll, die in eine Transportbewegung übergeht. Befindet sich der Roboter in einem vollständigen Ruhezustand (alle starren Elemente stehen still), erfolgt zunächst die Ausrichtung des zweiten starren Elements durch den zweiten Antrieb in Richtung der ersten Drehachse (diese Ausrichtung soll nachfolgend als 0°-Position der zweiten Drehachse verstanden werden). Anschließend folgt die Beschleunigung der ersten Drehachse, bis diese ihre vorgesehene konstante Drehgeschwindigkeit erreicht hat. Die zweite Drehachse behält dabei die 0°-Stellung bei, in dem der zweite Antrieb ein entsprechendes (kompensierendes) Moment aufbringt. Während diesen Vorgängen bewegt sich das dritte starre Element Undefiniert in der durch die dritte Drehachse definierte Ebene. Bei ansteigender Drehgeschwindigkeit der ersten Drehachse wirkt eine ansteigende Zentrifugalkraft auf das dritte starre Element, so dass dieses sich allmählich entlang des zweiten starren Elements in Richtung der zweiten Drehachse ausrichtet (0°-Stellung der dritten Drehachse). Die erste Drehachse führt nun die vorgesehene konstante Drehbewegung mit definierter Winkelgeschwindigkeit aus. Die Drehachse zwei und drei befinden sich jeweils in der 0°-Stellung. Die zweite Drehachse wird nun durch den zweiten Antrieb stark entgegen dem Drehsinn der ersten Drehachse beschleunigt. Durch die Drehbewegung der zweiten Drehachse ist das dritte starre Element nicht mehr längs der Kraftwirkung der Zentrifugalkraft im Effektor ausgerichtet. Dies bewirkt, dass sich der Effektor immer weiter von der ersten Drehachse entfernt. Die Beschleunigung der zweiten Drehachse muss darum so hoch sein, dass die zweite Drehachse die 180°-Stellung durchläuft, bevor der Effektor sich so weit von der ersten Drehachse entfernt hat, dass die dritte Drehachse zu diesem Zeitpunkt um mehr als 70° die 0°-StelIung in Drehrichtung der ersten Drehachse verlassen hat. Dies ist erforderlich, damit die Drehbewegung der zweiten Drehachse nicht zu einer weiteren Entfernung des Effektors von der ersten Drehachse führt. Die Drehung der zweiten Drehachse muss hierbei von dem zweiten Antrieb so beschleunigt, bzw. abgebremst werden, dass die zweite Drehachse eine % Umdrehung ausgeführt hat und zum gleichen Zeitpunkt die dritte Drehachse die 180Q-Stellung durchläuft, als auch der Effektor zu diesem Zeitpunkt vollständig translatorisch zur Ruhe kommt. An diese Bewegung kann nun eine wie oben beschriebene Innenschwungbewegung ansetzen; ein Impuls wird bei diesem Startvorgang aus dem ersten starren Element in den Effektor ebenfalls übertragen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Roboters mit drei starren Elementen in schematischer Darstellung, Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Roboters mit drei starren Elementen,
Figur 3 eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Roboters mit fünf starren Elementen in schematischer Darstellung und
Fig. 4-17 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens mit unterschiedlichen Stellungen der starren Elemente während einer Transport- und während einer Nullraumbewegung, im einzelnen:
Figur 4 eine schematische Darstellung der einzelnen Stellungen der starren Elemente zu Beginn einer Innenschwung-Bewegung (Transportbewegung) in Aufsicht,
Fig. 5-11 schematische Darstellungen unterschiedlicher Stellungen der starren Elemente während der Innenschwung-Bewegung in Aufsicht,
Fig. 12 eine schematische Darstellung der einzelnen Stellungen der starren Elemente zum Ende der Innenschwung-Bewegung und damit zu Beginn einer sich an diese Transportbewegung anschließende Nullraumbewegung in Aufsicht,
Fig. 13-16 schematische Darstellungen unterschiedlicher Stellungen der starren Elemente während der Nullraumbewegung in Aufsicht und Fig. 17 eine schematische Darstellung der einzelnen Stellungen der starren Elemente zum Ende der Nullraumbewegung in Aufsicht.
Die Figuren 1 und 2 zeigen das Grundmodell eines erfindungsgemäßen Roboters in der Aufsicht und in der Schnittdarstellung. Der Roboter ist über die Basis 12 mit einem festen Gegenstand, beispielsweise einer Unterlage, verbunden. Dabei ist es jedoch nicht zwingend notwendig, dass der Roboter auf einer Unterlage steht. Ebenso kann der erfindungsgemäße Roboter auch hängend an einer Decke montiert werden. Die Basis 12 weist eine erste Drehachse 10 mit einem ersten rotatorischen Antrieb 16, vorzugsweise einem Elektromotor, auf. Mit dem ersten rotatorischen Antrieb 16 ist das erste starre Element 18, welches als kreisrunde Rumpfscheibe ausgebildet ist, fest ver- bunden. Dabei ist die Drehachse 10 mit dem rotatorischen Antrieb 16 im Mittelpunkt des kreisförmigen starren Elementes 18 angeordnet. Am seitlichen Rand (Peripherie) des starren Elementes 18 ist die zweite Drehachse 20 mit einem zweiten rotatorischen Antrieb 22, welcher durch einen Elektromotor ausgebildet wird, angeordnet. Das starre Element 18 ist voll umfänglich um die Drehachse 10 drehbar gelagert. Über die Drehachse 20 ist das erste starre Element 18 mit dem zweiten starren Element 24 (Oberarm), welches den ersten beweglichen Roboterarm ausbildet, verbunden. Über die dritte Drehachse 30 ist das zweite starre Element mit dem dritten starren Element (Unterarm), welches den zweiten Roboterarm ausbildet, verbunden. Die dritte Drehachse 30 weist einen gering dimensionierten dritten rotatorischen Antrieb 31 auf, dessen Nennabtriebsmoment M3 im Ausführungsbeispiels lediglich 20% des Nennabtriebsmomentes M2 des zweiten rotatorischen Antriebs 22 beträgt. Dadurch weist der dritten rotatorischen Antrieb 31 lediglich ein Gewicht auf, welches ca. 10% des Gewichtes des zweiten rotatorischen Antriebes 22 beträgt.
Am Unterarm 26 des Roboters ist der Effektor 28 angeordnet, welcher im Ausführungsbeispiel als Greifer ausgeführt ist. Der Effektor 28 ist mit einem Vertikalantrieb 14 und über eine Drehachse 32 mit einem rotatorischen Antrieb 36 verbunden. Alle drei Drehachsen 10, 20, 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel vollumfänglich drehbar gelagert, d.h. dass eine beliebige Zahl von Umdrehungen ausgeführt werden kann, ohne dass stromzuführende Kabel überdreht werden und abreißen. Ebenfalls ist die Drehachse 32 zur Drehung des Effektors 28 vollumfänglich drehbar gelagert. Eine vollumfängliche Drehbarkeit kann nach dem Stand der Technik auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Beispielsweise können Schlauchdurchführungen mit Lagerung und Dichtung für die Pneumatikschläuche zum Effektor eingesetzt werden. Die Übertragung der Stromleitungen an den betreffenden Achsen kann beispielsweise durch Schleifringe oder induktiv . oder in einer anderen geeigneten Weise gelöst werden. Grundsätzlich ist eine vollumfängliche Drehbarkeit der genannten Achse 10, 20, 30 nicht zwingend notwendig, um die erfindungsgemäße Nullraumbewegung (d.h. ein in Ruhe befindlicher Effektor 28 trotz in Rotation befindlicher Drehachse 10) zu realisieren, jedoch wäre es in diesem Fall notwendig, jeweils nach einer Transport- und Nullraumbewegung den Roboter (also alle 3 starren Elemente 18, 24, 26) vollständig zum Stillstand zu bringen und im Anschluss eine Bewegung mit entgegen gesetztem Drehsinn der Drehachse 10, zum Beispiel genau die vorherige Bewegung rückwärts, auszuführen. Dies hat den Nachteil längerer Zykluszeiten. Vorteilhaft in einer solchen Variante ist jedoch, dass während des vollständigen Stillstands des Roboters eine Greifzeit zur Verfügung steht, die beliebig über die Zeit der Nullraumbewegung hinausgeht, was in einigen Applikationen vorteilhaft sein kann.
Vorteilhafterweise ist das Trägheitsmoment der Arme (Elemente 24 und 26) aufgrund des gering dimensionierten rotatorischen Antriebs 31 in der Drehachse 30 deutlich geringer. Hierdurch werden wesentlich kürzere Zykluszeiten möglich. Entgegen dem SCARA-Roboter zeigt sich der Geschwindigkeitsvorteil vor allem auf weiten Bewegungen durch den Arbeitsraum.
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Roboters mit zwei Roboterarmen (je Oberarm und Unterarm). Dazu weist das erste starre Element 18 eine vierte Drehachse 40 auf, welche mit einem rotatorischen Antrieb 42 verbunden ist. Über die Drehachse 40 ist das vierte starre Element 44 (zweiter Oberarm) mit dem ersten starren Element 18 verbunden. Weiterhin ist das vierte starre Element 44 mit dem fünften starren Element 46 (zweiter Unterarm) über Drehachse 50 verbunden, welche einen gering dimensionierten fünften rotatorischen Antrieb 51 aufweist, dessen Nennabtriebsmoment M5 im Ausführungsbeispiels lediglich 20% des Nennabtriebsmomentes M4 des vierten rotatorischen Antriebs 42 beträgt.
Am Ende des fünften starren Elementes 46 ist ein zweiter Effektor 28 angeordnet, welcher über eine Drehachse 32 mit einem rotatorischen Antrieb 36 und über einen linearen Vertikalantrieb 14 verfügt. In dieser Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Roboter zwei Arme (bestehend aus den Elementen 24 und 26 beziehungsweise 44 und 46) auf, wobei die Antriebe 31 , 51 der Drehachsen 30 und 50 erfindungsgemäß gering im Vergleich zu den Antriebe 22, 42 (und natürlich auch zum ersten rotatorischen Antrieb 16) ausgebildet sind. Aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung der Drehachsen 20 und 40 ist eine Kollision der Arme nahezu ausgeschlossen, da Fliehkräfte des drehenden starren Elementes 18 einer Annäherung der Arme entgegenwirken. Weiterhin kann durch eine abgestimmte Taktung der Greifbewegungen aufgrund ähnlicher Nullraumbewegungen die Verweilzeit in Kollisionsgefährdeten Bereichen einfach geplant werden. Vorzugsweise sind alle Drehachsen 10, 20, 30, 40, 50 vollumfänglich drehbar gelagert.
Hierin besteht ein weiterer Vorteil gegenüber dem SCARA-Roboter, welcher nur über einen Roboterarm verfügt. Aufgrund der großen Kollisionsgefahr werden SCARA-Roboter auch nur selten im gleichen Arbeitsraum eingesetzt, denn es besteht Kollisionsgefahr aufgrund eines Steuerfehlers, welcher mit dem erfindungsgemäßen Roboter mit zwei Armen nahezu ausgeschlossen ist. Ein Einsatz des erfindungsgemäßen Roboters mit zwei Armen ist insbesondere in Situationen vorteilhaft, in welchen in sehr kurzer Zeit eine Anlage be- oder entladen werden muss, weshalb aufgrund der vorgenannten Kollisionsproblematik des SCARA-Roboters selten zwei Roboter eingesetzt werden können.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Roboters ist sein geringer Hub, wodurch die Bauhöhe am Lastpunkt relativ gering ist, so dass der Arm auch in Arbeitsräume mit sehr geringer Höhe seitlich eindringen kann. Weiterhin geht die kinetische Energie des Systems nicht bei jeder Ruhelage des Effektors verloren, da wie bereits vorgeschrieben, das (massenmäßig größte) erste starre Element während der „Pick- and Place"-Aufgaben auch in der Ruhephase des Effektors 28 weiterdreht, während die beiden starren Elemente 24 und 26 diese Drehbewegung kompensieren. Weiterhin vorteilhaft ist es, dass für die zwei Arme in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 lediglich eine Steuerung notwendig wird. Im Vergleich zum vorbeschriebenen Scara Roboter weist der erfindungsgemäße Roboter deutlich kürzere Zykluszeiten auf. Weiterhin vorteilhaft ist es, dass sich der Effektor 28 des erfindungsgemaßen Roboters einer Wand seitlich nähern kann, was aufgrund der Geometrie des Delta- Roboters nicht möglich ist. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Roboter sowohl an der Decke als auch auf einer Vorrichtung am Boden montiert werden. Die Figuren 4-17 zeigen eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Positionierungsverfahrens eines Roboters des Grundmodells (Figuren 1 und 2) mit unterschiedlichen Stellungen der starren Elemente 18, 24, 26 während einer Transport- (Fig. 4-12) und während einer Nullraumbewegung (Fig. 12-17). Der Schwerpunkt 37 ist genau genommen der Schwerpunkt, welcher durch das erste starre Element 18 und denjenigen Teil des ersten rotatorischen Antriebs 16 gebildet wird, welcher während der Rotation des ersten starren Elements 18 ebenfalls bewegt wird. Der Schwerpunkt 38 ist genau genommen der Schwerpunkt, welcher durch das zweite starre Element 24 und diejenigen Teile des zweiten rotatorischen Antriebs 22 und des dritten rotatorischen Antriebs 31 gebildet werden, welche während der Rotation des zweiten starren Elements 24 ebenfalls bewegt werden. Der Schwerpunkt 39 ist derjenige Schwerpunkt, welcher durch das dritte starre Element 26, einen gegebenenfalls vorhandenen Vertikalantrieb 14, den Effektor 28, eine ggf. vorhandene Traglast und denjenigen Teil des dritten rotatorischen Antriebs 31 gebildet wird, welcher während der Rotation des dritten starren Elements 26 ebenfalls bewegt wird.
In Figur 4 liegen die Vorraussetzungen für den Beginn einer Transportbewegung (Innenschwung-Bewegung) vor, da sich das zweite starres Element 24, das zweite starres Element 26 und der Effektor 28 auf einer Linie (Geraden) befinden. Wie der Roboter in diese Position gebracht wird, wurde bereits (siehe Beschreibung der Startbewegung oder Nullraumbewegung, an die sich die Transportbewegung anschließt) ausführlich erläutert.
Zunächst erfolgt eine schnelle Einklappbewegung (Fig. 5 und 6) des zweiten und dritten starren Elements 24, 26, also der dritten Drehachse 30 in Richtung der ersten Drehachse 10. Die zweite Drehachse 20, d.h. der zweite rotatorische Antrieb 22 bringt dazu zunächst seine maximale Leistung auf, um die Einklappbewegung zu beschleunigen. Durch eine vorhandene Impulseinleitung vom ersten starren Element 18 in den Effektor 28, während der Übergangsphase von der Nullraumbewegung (oder während Übergangsphase von der Startbewegung) erhält der Effektor 28 eine starke Beschleunigung in Richtung der zweiten Achse 20. Der Geschwindigkeitsanteil in dieser Richtung ist darum im Effektor 28 sehr stark. Zu Beginn der Einklappbewegung (Fig. 5) erhöht der zweite Antrieb 22 den Geschwindigkeitsanteil des Effektors 28 in dieser Richtung sehr stark. Der Effektor 28 bewegt sich bereits nach wenigen Augenblicken wesentlich schneller als die zweite Achse 20. Der Effektor 28 nähert sich somit rasch der zweiten Achse 20 (Fig. 5-7). Je weiter das zweite und das dritte starre Element 24, 26 eingeklappt werden, desto mehr bewirkt die Momenteinleitung des zweiten Antriebs 22 eine Kraftübertragung in den Effektor 28, die zu einer Beschleunigung in Richtung erster Drehachse 10 (Fig. 5 und 6) führt. Darum wird die Momenteinleitung der zweiten Achse 20 schnell auf Null reduziert. Die Bewegung des Effektors 28 wird nun etwas von seiner geradlinigen Bahn abgebracht, in Richtung erster Drehachse 10.
Die Bewegung setzt sich fort, bis sich der Effektor 28 und die dritte Drehachse 30 im Wesentlichen auf der Linie des Geschwindigkeitsvektors der zweiten Drehachse 20 zu diesem Zeitpunkt befinden (Dies ist die Tangentiale durch die zweite Drehachse 20 zu diesem Zeitpunkt). Der Effektor 28 hat somit die zweite Drehachse 20 überholt (Fig. 7 und 8); das zweite und das dritte starre Element 24, 26 liegen übereinander (Fig. 8). Die Winkelstellung beträgt circa 180° (gemäß Definition). Der Effektor 28 kann sich in dieser Position nicht weiter nach vorne von der zweiten Drehachse 20 entfernen, da die Position der starren Elemente 24, 26 (zwei und drei) in dieser Richtung eine Hemmung verursachen. Der Geschwindigkeitsanteil des Effektors 28, der in Längsrichtung der starren Elemente 24, 26 (zwei und drei) zeigt, wird vollständig von einer Normalkraft aufgenommen, die durch die Hemmung in den starren Elementen 24, 26 entsteht und der Bewegungsrichtung entgegenwirkt. Der übrige Geschwindigkeitsanteil des Effektors 28 wirkt quer zum dritten starren Element. Bleibt die 180° Stellung der dritten Achse 30 durch entprechende Korrekturmaßnahmen des zweiten Antriebs 22 erhalten, so führen der Effektor 28 und die dritte Achse 30 eine Rotationsbewegung um die zweite Achse 20 aus. Bei dieser Rotation soll die Winkeldrehung des Effektors 28 etwas schneller als die der dritten Achse 30 verlaufen. Dabei verlässt die dritte Achse 30 allmählich ihre 180° Stellung
Nach ausreichend großer Auslenkung des Effektors 28 von der (Teil-)Kreisbahn um die zweite Achse 22 wird nun die zweite Drehachse 20 erneut durch den zweiten Antrieb 22 beschleunigt (Fig. 9). Hauptsächlich hat dieser Vorgang eine verlangsamte Auslenkung der dritten Achse 30 zur Folge, sowie eine Beschleunigung des Effektors 28, deren Auswirkung zunimmt, je weiter der Winkel an der dritten Drehachse 30 betragsmäßig in den Bereich von 90° abfällt. Die Abweichung erfolgt in Richtung der Bewegung der zweiten Drehachse 20. Die Leistung des zweiten Antriebs 22 muss dabei so gewählt werden, dass der Effektor 28 zunehmend in Richtung auf die Zielkoordinate (= vordefinierter Ort P1) ausgerichtet wird. Nun wird ein Zeitpunkt für die Leistungsumkehr des zweiten Antriebs 22 gewählt, der ein Abbremsen des Effektors 28 bewirkt. Abhängig davon, wie rasch der Roboter die 180°-Stellung der dritten Drehachse 30 verlassen hat (Fig. 9-11), und abhängig von der richtigen Steuerung der Beschleunigungsphase der zweiten Drehachse 20 sowie der Abbremsphase, erreicht der Roboter den Zielpunkt (P1), siehe Fig. 12, in genau der Art und Weise, wie es für die Einleitung einer Nullraumbewegung erforderlich ist.
Nun wird (Fig. 12) die Nullraumbewegung eingeleitet. Damit der Effektor 28, also das Ende des dritten starren Elements 26 im Raum (und zwar bei P1) für ein Zeitintervall Δt still steht, ist es erforderlich, dass sich das dritte starre Element 26 auf einer Kreisbahn (=Teilkreis, Kreisbogen) um den Effektor 28 bewegt. Diese Bewegung (der dritten Drehachse 30 auf einem Kreisbogen um den an P1 ruhenden Effektor 28) erfolgt im Ausführungsbeispiel zunächst in die der Basis 12 abgewandte Richtung (Fig. 13, 14) und nachfolgend in die der Basis 12 zugewandte Richtung (Fig. 15, 16), wobei die dritte Drehachse 30 dann noch weiter dreht (Fig. 17) und sich somit der Abstand zwischen Basis 12 und Drehachse 30 wieder erhöht. Insofern handelt es sich um eine nicht gleichförmige rotatorische Bewegung der dritten Drehachse 30 auf einem Kreisbogen um den an P1 ruhenden Effektor 28 mit einem Umkehrpunkt (Fig. 14). Vorteilhafterweise liegt der gemeinsame Schwerpunkt von drittem starren Element 26, Effektor 28 und einer Hubachse am Effektor 28 sehr dicht am Effektor 28. Dadurch wird begünstigt, dass das benötigte Abtriebsmoment des dritten Antriebs 31 gering bleiben kann. Die Beschleunigung des dritten starren Elements 26 durch eine Kraft an der dritten Achse 30 erzeugt eine Rotation des starren Elements 26, deren Zentrum nicht im Mittelpunkt des Effektors 28 liegt, sondern in der Nähe des Massenschwerpunktes.
Nachfolgend werden über den zweiten Antrieb 22 und den dritten Antrieb 31 solche Momente bzw. Kräfte in das dritte starre Element 26 eingeleitet, dass sich sowohl die dritte Drehachse 30 auf einer Kreisbahn um P1 als auch der Effektor 28 in Ruhe am Punkt P1 befinden, während sich das erste starre Element mit konstanter Winkelgeschwindigkeit im Zeitintervall Δt weiterdreht. Insofern kompensieren die Elemente 24, 26 die rotatorische Bewegung des Elementes 18 im Punkt P1, welcher daher während des gesamten Zeitintervalls Δt (Fig. 12-17) in Ruhe ist. Vorteilhaferweise sind die hierfür benötigten Momente des dritten Antriebes 31 derart, dass dieser dritte Antrieb 31 sehr gering dimensioniert werden kann! Dies führt zu einem geringeren Trägheitsmoment des Armes (24, 26) und damit zu geringeren Zykluszeiten und einer geringeren Energieaufnahme.
Neben der oben genannten Einleitung eines Momentes für die Nullraumbewegung (bei beschleunigter Rotation des dritten starren Elements 26 um den Effektor 28) wird der dritte Antrieb 31 auch für die Regelung während der Transportbewegung (Fig. 4-12) benötigt. Grundsätzlich wird für die Transportbewegung, d.h. die Steuerung des Roboters von einem Ausgangspunkt zu einem Zielpunkt (P1) vom Controller eine passende Bahnbewegung des Roboterarms errechnet. Dazu liegen Informationen über den mechanischen Aufbaus des Arms (24, 26), die Winkelstellung der Achsen (10, 20, 30) im Ausgangspunkt und die Koordinaten des Zielpunktes (P1 ) vor. Aus diesen Informationen werden die Verläufe der benötigten Motormomente (des ersten und zweiten Antriebes 16, 22) über die Zeit vorausbestimmt. Wird nun der entsprechende Strom zur Erzeugung des gewünschten Momentenverlaufes in die Antriebe (erster und zweiter Antrieb 16, 22) eingeleitet, so bewegt sich der Roboter entsprechend der berechneten Bahn. In der Praxis treten jedoch eine ganze Reihe von Störgrößen auf, die den Roboter bei der Transportbewegung von seinem Kurs abbringen und das Verfehlen des Zielpunktes bewirken. Darunter fallen die Reibung, Materialnachgiebigkeit, Lagerspiel und thermische Ausdehnungen. Darum verfügt ein Roboter über einen Regelkreis. Dieser misst permanent die erforderlichen Prozessgrößen wie Winkelstellungen und -geschwindigkeiten der Achsen 10, 20, 30. Die Abweichungen während der Bewegung werden an die Steuerung weitergeleitet, die umgehend eine Anpassung bzw. Bahnkorrektur vornehmen kann. Bei der Bahnberechnung durch die Steuerung wird nun stets eine Leistungsreserve der Antriebe (erster und zweiter Antrieb 16, 22) berücksichtigt. Diese Leistungsreserven können während der Bahnbewegung dank des Regelkreises für die Bahnkorrektur verwendet werden. Die dritte Achse 20 ist nun mit einem derart leistungsschwachen Antrieb ausgestattet, dass er für die Bahnplanung (bei der Transportbewegung) von vernachlässigbarer Bedeutung ist. Sein Leistungsbeitrag für die Beschleunigung des Roboters (bei der Transportbewegung) und damit auch sein Beitrag zu einer kurzen Zykluszeit des Roboters ist vernachlässigbar. Für die erste Berechnung der Bahn durch die Steuerung kann der dritte Antrieb 31 darum unberücksichtigt bleiben. Da jedoch auch in der dritten Achse 30 Störeinflüsse auftreten muss der Antrieb 31 für die Regelung verfügbar sein, der es erlaubt, diese störenden Momente und Kräfte in der dritten Achse 30 auszugleichen.
Bezugszeichenliste 10 erste Drehachse
12 Basis 14 Vertikalantrieb 16 erster rotatorischer Antrieb 18 erstes starres Element 20 zweite Drehachse 22 zweiter rotatorischer Antrieb 24 zweites starres Element/Oberarm 26 drittes starres Element/Unterarm 28 Effektor 30 dritte Drehachse 31 dritter rotatorischer Antrieb 32 Drehachse des Effektors 36 rotatorischer Antrieb für Effektor 37 Schwerpunkt des ersten starren Elements 38 Schwerpunkt des zweiten starren Elements 39 Schwerpunkt des dritten starren Elements 40 vierte Drehachse 42 vierter rotatorischer Antrieb
44 viertes starres Element/Oberarm 46 fünftes starres Element/Unterarm
50 fünfte Drehachse 51 fünfter rotatorischer Antrieb
t1 Zeitpunkt des Beginns der Nullraumbewegung
Δt Zeitintervall der Nullraumbewegung
P1 vordefinierter Ort
M2 Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs 22
M3 Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs 31
M4 Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs 42
M5 Nennabtriebsmoment des zweiten rotatorischen Antriebs 51

Claims

Patentansprüche
1. Roboter mit mindestens einem linearen Vertikalantrieb (14) und einer Basis (12), welche eine erste, vertikal angeordnete Drehachse (10) mit einem ersten rotatorischen Antrieb (16) aufweist, wobei die Drehachse (10) fest mit einem ersten starren, im Wesentlichen horizontal angeordneten Element (18) verbunden ist, weiches drehbeweglich über eine zweite, vertikal angeordnete Drehachse (20) mit einem zweiten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element (24) verbunden ist, wobei die zweite Drehachse (20) von der ersten Drehachse (10) beabstandet angeordnet ist und einen zweiten rotatorischen Antrieb (22) aufweist und das zweite starre Element (24) über eine dritte Drehachse (30) drehbeweglich mit einem dritten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element (26) verbunden ist, wobei die dritte Drehachse (30) von der zweiten Drehachse (20) beabstandet angeordnet ist und einen dritten rotatorischen Antrieb (31 ) aufweist und das dritte starre Element (26) mit einem Effektor (28) verbunden ist und der mindestens eine lineare Vertikalantrieb (14) mit der Basis (12), dem Effektor (28) oder einer der Drehachsen (10, 20, 30) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte rotatorische Antrieb (31 ) ein Nennabtriebsmoment (M3) kleiner oder gleich 50% des Nennabtriebsmoment (M2) des zweiten rotatorischen Antriebs (22) aufweist.
2. Roboter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der dritte rotatorische Antrieb (31 ) ein Nennabtriebsmoment (M3) kleiner oder gleich 25% des Nennabtriebsmoment (M2) des zweiten rotatorischen Antriebs (22) aufweist.
3. Roboter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Nennabtriebsmoment (M3) des dritten rotatorischen Antriebs (31 ) der Bedingung
6 - π - r - l - m M, < 3 " t2 genügt, wobei r die Länge der Strecke vom Effektor (28) zum Schwerpunkt (39) ist, welcher durch das dritte starre Element (26), einen gegebenenfalls vorhandenen Vertikalantrieb (14), den Effektor
(28) sowie die Traglast gebildet wird, und I die Länge des dritten starren Elements (26), m die Masse eines gegebenenfalls vorhandenen Vertikalantriebs (14), des Effektor (28) sowie der Traglast und t maximale Zeit zur Ausführung einer Nullraumbewegung ist.
Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste starre Element (18) über eine vierte vertikal angeordnete Drehachse (40) mit einem vierten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element (44) drehbeweglich verbunden ist, wobei die vierte Drehachse (40) einen vierten rotatorischen Antrieb (42) und den gleichen Abstand von der ersten Drehachse (10) wie die zweite Drehachse (20) aufweist und in Bezug auf die erste Drehachse (10) gegenüber der zweiten Drehachse (20) angeordnet ist und das vierte starre Element (44) über eine fünfte Drehachse (50) drehbeweglich mit einem fünften, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element (46) verbunden ist, die fünfte Drehachse (50) einen fünften rotatorischen Antrieb (51 ) aufweist und das dritte starre Element (26) und das fünfte starre Element (46) jeweils mit einem Effektor (28) verbunden sind und das zweite Element (24) die gleiche Länge wie das vierte Element (44) und das dritte Element
(26) die gleiche Länge wie das fünfte Element (46) aufweisen und das Nennabtriebsmoment (M3) des dritten rotatorischen Antriebs (31 ) dem Nennabtriebsmoment (M5) des fünften rotatorischen Antriebs (51 ) entspricht oder im Wesentlichen entspricht.
5. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Effektor (28) einen rotatorischen Antrieb (36) aufweist.
6. Roboter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Effektor (28) ein linearer Vertikalantrieb (14) zugeordnet ist.
7. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste starre Element (18) um die erste Drehachse (10) vollumfänglich drehbar angeordnet ist.
8. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Drehachse (10) ein linearer Vertikalantrieb (14) zugeordnet ist.
9. Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Basis (12) ein linearer Vertikalantrieb (14) zugeordnet ist.
10. Roboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Drehachse (10) ein linearer Vertikalantrieb (14) zugeordnet ist, wobei der mit dem vierten starren Element (26) verbundene Effektor (28) zwei rotatorische Antriebe (36, 37) mit unterschiedlichen Drehachsen aufweist und der mit dem fünften starren Element (46) verbundene Effektor (28) einen rotatorischen Antrieb (36) und einen linearen Vertikalantrieb (14) aufweist.
1 1 . Roboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (12) einen linearen Horizontalantrieb (14) aufweist.
12. Roboter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und fünfte Drehachse (30, 50) Bremsen aufweisen.
13. Verfahren zum Positionieren eines Effektors (28) eines Roboters an einen vordefinierten Ort (P1 ) für ein vorgegebenes Zeitintervall (Δt), wobei der Roboter mindestens einen linearen Vertikalantrieb (14) und eine Basis (12) aufweist, welche eine erste, vertikal angeordnete Drehachse (10) mit einem ersten rotatorischen Antrieb (16) aufweist, wobei die Drehachse (10) fest mit einem ersten starren, im Wesentlichen horizontal angeordneten Element (18) verbunden ist, welches drehbeweglich über eine zweite, vertikal angeordnete Drehachse (20) mit einem zweiten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren . Element (24) verbunden ist, wobei die zweite Drehachse (20) von der ersten Drehachse (10) beabstandet angeordnet ist und einen zweiten rotatorischen Antrieb (22) aufweist und das zweite starre Element (24) über eine dritte Drehachse (30) drehbeweglich mit einem dritten, im Wesentlichen horizontal angeordneten starren Element (26) verbunden ist, wobei die dritte Drehachse (30) von der zweiten Drehachse (20) beabstandet angeordnet ist und einen dritten rotatorischen Antrieb (.31 ) aufweist und das dritte starre Element (26) mit dem Effektor (28) verbunden ist und der mindestens eine lineare Vertikalantrieb (14) mit der Basis (12), dem Effektor (28) oder einer der Drehachsen (10, 20, 30) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Verbringen des Effektors (28) an den vordefinierten Ort (P1 ) zu Beginn (t1) des Zeitintervalls (Δt), wobei die zweite Drehachse (20) und die dritte Drehachse (30) mittels des ersten und des zweiten rotatorischen Antriebs (16, 22) derart ausgerichtet werden, dass sich die zweite Drehachse (20), die dritte Drehachse (30) und der Effektor (28) zu Beginn (t1) des Zeitintervalls (Δt) auf einer Geraden befinden und das um die erste Drehachse (10) rotierende erste starre Element (18) zu Beginn (t1) des Zeitintervails (Δt) eine von Null verschiedene Winkelgeschwindigkeit (w1 ) aufweist,
- Beaufschlagung des ersten starren Elements (18) während des Zeitintervalls (Δt) mittels des ersten rotatorischen Antriebs (16) derart, dass der Betrag der Winkelgeschwindigkeit des ersten starren Elements (18) während des Zeitintervalls (Δt) stets größer als Null ist und
- Beaufschlagung des zweiten und des dritten starren Elements (24, 26) während des Zeitintervalls (Δt) mittels des ersten und zweiten rotatorischen Antriebs (16, 22) und gegebenenfalls auch mittels des dritten rotatorischen Antriebs (31 ) derart, dass sich die dritte Drehachse (30) während des Zeitintervalls (Δt) auf einem Kreisbogen um den vordefinierten Ort (P1) bewegt und der Effektor (28) trotz der Rotation des ersten starren Elements (18) um die erste Drehachse (10) während des Zeitintervails (Δt) am vordefinierten Ort (P1) verweilt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Teil des Effektors (28) am vordefinierten Ort (P1 ) für das vorgegebenes Zeitintervall (Δt) positioniert wird, welcher mit einem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt trittrτBio-.
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