WO2016000005A1 - Schutzverfahren und schutzvorrichtung für handhabungsgerät - Google Patents

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WO2016000005A1
WO2016000005A1 PCT/AT2015/000094 AT2015000094W WO2016000005A1 WO 2016000005 A1 WO2016000005 A1 WO 2016000005A1 AT 2015000094 W AT2015000094 W AT 2015000094W WO 2016000005 A1 WO2016000005 A1 WO 2016000005A1
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Michael Zillich
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Blue Danube Robotics Og
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Definitions

  • the invention relates to a method and a
  • Collision detection device which surrounds the movable elements of the handling device with a made of flexible material medium storage.
  • the medium reservoirs are equipped with pressure sensors that can indicate a pressure increase in the event of a collision and can be used to trigger protective circuits.
  • Triggering of protective circuits can be used.
  • Pressure change of these protective covers is detected in the event of a collision by means of pressure sensors.
  • the size of the protective covers, their shape and the pressure applied in their interior also defines their dimensional stability.
  • Fig. 1 protective elements with base shell without
  • Fig. 4 protection elements cross section directly mounted with foam filling and lateral joint
  • each protective element 1 the medium is not supplied from the outside, but the protective elements in its interior in addition to at least one pressure sensor 4 and a pressure increasing device 7, preferably the medium ambient air suck in and generate an adjustable pressure from the control unit 8 in the interior of the protective element.
  • Device of the protective elements 1 consists, as shown in Fig. 1 typically from the base shell made of plastic 12, by means of spacers 2 free
  • Embodiment of the device of the protective elements 1 is as shown in Figure 1, for example
  • the internal pressure-increasing device 7 is also a certain protection against damage to the elastic protective cover 11 of the protective elements 1 and in that small injuries of the
  • the power supply cables and data lines 5 of the booster pump and the pressure sensors are in grooves 13 under the base plate via a
  • Pressure increasing device 7 is preferably carried out by means of electrical energy, which is supplied via an outside of the protective elements 1 arranged control device 8, if necessary.
  • This control device 8 can be implemented as an analog controller or as a digital controller. It can, depending on the purpose of the
  • Pressure booster devices 7 individually or in groups to drive together. The individual combination of control algorithms per protection element is also possible.
  • the inventive design of the protective elements 1 with internal pressure increasing device 7 can be controlled via the control device 8 according to a predetermined pressure increase profile or by pulsating pressure increase.
  • the pressure-increasing device 7 is preferably designed as a piezoelectric pump.
  • Foam filling can be supplemented 9, what a
  • a further embodiment of the device of the protective elements 1 is that the
  • Foam filling 9 is enveloped gas-tight with an outer casing 11 made of cured liquid plastic and this coating is applied by painting, spraying or dipping.
  • the described in the preceding paragraph, designed as a printed circuit board carrier plate 3 is including piezoelectric
  • This gas-tight outer sheath 11 may consist of
  • Foam filling 9 made of a material which forms a gas-tight outer skin in gas-permeable inner structure in the production, such as foam rubber or integral foam.
  • a further preferred embodiment of the device of the protective elements 1 is that a to be protected surface of the robot or
  • Manipulator 10 adapted shaping is used.
  • This design can be used for corresponding surfaces, for example, as a flat or slightly curved flat cushion, as half shells for cladding cylindrical or conical pipe parts and round manipulator elements.
  • the attachment of the protective elements is carried out by
  • the design of the protective elements 1 can also be carried out as in Figs. 3 and 4 in cross section
  • Pressure sensors 4 the external pressure sensors 6 and the pressure increasing device 7 arranged laterally on the protective elements.
  • The can be separated on any side of the protective elements 1 or as shown in cross-section Fig. 4 on a common, preferably designed as a printed circuit board
  • a further preferred embodiment of the device of the protective elements 1 is that it as a ball or mushroom-shaped switch for switching operations such as emergency stop button or in elongated strip form for safety circuits at
  • the device and possible combinations of their design variants in shape and size make it possible to realize the control of different countermeasures in case of risk of collision by appropriate programming of the control device 8.
  • the control device 8 In particular, it is intended for emergency shutdowns,
  • protection element as a touch sensor, preferably in that the affected
  • Manipulator of about 1 to 3 cm, which detects a 3-dimensional imaging digital camera is not or poorly and therefore from the manipulator in

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutze von Personen und ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten wie Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder Serviceroboter und ihrer Manipulatoren vor Kollisionen in deren Arbeitsbereich mittels Drucksensoren in mit einem Medium gefüllten Schutzhüllen dergestalt, dass jedem Schutzelement (1) das Medium nicht von außen zugeführt wird, sondern die Schutzelemente jeweils in ihrem Inneren zusätzlich zu einem Drucksensor (4) auch eine Druckerhöhungsvorrichtung (7) aufweisen, die das Medium, vorzugsweise Umgebungsluft ansaugen und einen vom Steuergerät (8) aus einstellbaren Druck im Inneren des Schutzelementes erzeugen.

Description

Schutzverfahren und Schutzvorrichtung für
Handhabungsgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Schutze von Personen und ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten wie
Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder
Serviceroboter und ihrer Manipulatoren vor
Kollisionen in deren Arbeitsbereich mittels
Schutzhüllen mit innenliegenden Drucksensoren und eingebauter, Druckerhöhungs- und
Druckhaltevorrichtung .
Aus der DE 10 2007 062 245 AI ist eine
Kollisionsdetektionsvorrichtung bekannt, die die beweglichen Elemente des Handhabungsgerätes mit einem aus flexiblem Material gefertigten Mediums-Speicher umgeben. Die Mediums-Speicher sind mit Drucksensoren ausgestattet, die eine Druckerhöhung bei Kollision anzeigen und für die Auslösung von Schutzschaltungen verwendet werden können.
Aus der EP 1 810 795 AI ist eine
Sicherheitsvorrichtung bekannt, bei der eine
elastische, abgedichtete gasgefüllte Schutzhülle die Manipulatoren eines Roboters umgeben, die mit einem oder mehreren Drucksensoren ausgestattet sind, die im Zusammenwirken mit einem Referenzsensor für die
Auslösung von Schutzschaltungen verwendet werden können .
Aus der DE 10 2006 044 071 B4 ist eine Roboter
Schutzeinrichtung bekannt, bei der ebenfalls eine elastische Schutzhülle den oder die Manipulatoren zur Dämpfung eines Aufpralles umgeben und die
Druckänderung dieser Schutzhüllen im Kollisionsfalle mittels Drucksensoren erfasst wird.
Allen diesen Lösungsansätzen ist gemeinsam, dass sie zur Befüllung der Schutzhüllen mit dem Gas oder Fluid einer externen Quelle für die Zufuhr bedürfen, was insbesondere bei einer Vielzahl von Hüllen aufwändige und die Beweglichkeit der Manipulatoren
einschränkende Schlauchverbindungen erforderlich macht. Dadurch ist die handhabbare Anzahl der
einzelnen Schutzhüllen beschränkt und ihre Anwendung bei autonom bewegten Robotern eingeschränkt.
Nachdem die Druckerhöhung bei Kollision in
Schutzhüllen mit kleinem Volumen deutlicher ausfällt, als bei großvolumigen Schutzhüllen ist damit auch die Höhe des idealen Vorlagedruckes des Mediums in der Schutzhülle von ihrer Größe abhängig. Es hat sich deshalb als vorteilhaft gezeigt, anstatt weniger großvolumiger Schutzhüllen, eine Vielzahl kleiner Schutzelemente vorzusehen. Dies hat auch noch den weiteren Vorteil, dass sich ihre Formgebung an die Form der Roboteroberfläche und deren
Manipulatoren anpassen lässt. Auch der Schutz vor ihren in besonderem Maße kollisionsgefährdeten Zonen insbesondere bei autonomen Robotern ist besser realisierbar .
Die Größe der Schutzhüllen, ihre Form und der in ihrem Inneren anstehende Druck definiert auch deren Formstabilität .
Nachdem auch die Form der Schutzelemente einen deutlichen Einfluss auf die Höhe des idealen
Vorlagedruckes des Mediums in der Schutzhülle hat, ist die Auflösung der Schutzhüllen in kleinere
Schutzelemente nur dann praktisch machbar, wenn jedem Schutzelement der für seine Form und Größe ideale Druck zugeordnet werden kann.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den nachstehenden Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 Schutzelemente mit Basisschale ohne
Schaumstofffüllung,
Fig. 2 Schutzelemente Querschnitt direkt montiert mit Schaumstofffüllung, Fig. 3 Schutzelemente Querschnitt direkt montiert mit Schaumstofffüllung und seitlicher Anordnung der
Sensoren und Druckerhöhungsvorrichtung,
Fig. 4 Schutzelemente Querschnitt direkt montiert mit Schaumstofffüllung und seitlicher gemeinsamer
Anordnung der Sensoren und Druckerhöhungsvorrichtung, wiedergibt .
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt dadurch gelöst, dass jedem Schutzelement 1 das Medium nicht von außen zugeführt wird, sondern die Schutzelemente in ihrem Inneren zusätzlich zu mindestens einem Drucksensor 4 auch eine Druckerhöhungsvorrichtung 7 aufweisen, die das Medium vorzugsweise Umgebungsluft ansaugen und einen vom Steuergerät 8 aus einstellbarem Druck im Inneren des Schutzelementes erzeugen.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung der
Vorrichtung der Schutzelemente 1 besteht wie in Fig. 1 dargestellt typischerweise aus der Basisschale aus Kunststoff 12, mittels Distanzstücken 2 frei
gehaltenen Lufteintritts- und Kabel-Durchtritts-Kanal 13, der Druckerhöhungsvorrichtung 7, dem mindestens einen Drucksensor 4 mit oder ohne Referenzsensor 6 und der elastischen Umhüllung 11 der Schutzelemente. Bei einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäße
Ausführung der Vorrichtung der Schutzelemente 1 ist wie in Fig 1 dargestellt, die beispielsweise
piezoelektrische Druckerhöhungsvorrichtung 7 , dem mindestens einmal vorhandenen innenliegenden
Drucksensor 4 und optional dem mindestens einmal vorhandenen außenliegenden Drucksensor 6 auf einer als Leiterplatte ausgebildeten Trägerplatte 3
montiert, die in die Basisschale eingeklebt ist.
Die innenliegende Druckerhöhungsvorrichtung 7 ist auch ein gewisser Schutz gegen Verletzungen der elastischen Schutzhülle 11 der Schutzelemente 1 und zwar dadurch, dass kleine Verletzungen der
elastischen Schutzhülle oder Undichtigkeiten
automatisch ausgeglichen werden.
Die Energieversorgungskabel und Datenleitungen 5 der Druckerhöhungspumpe und der Drucksensoren werden in Rillen 13 unter der Basisplatte über einen
Sammelkanal zu der Steuereinrichtung 8 geführt.
Die Energieversorgung dieser integrierten
Druckerhöhungsvorrichtung 7 erfolgt vorzugsweise mittels elektrischer Energie, die über eine außerhalb der Schutzelemente 1 angeordnete Steuervorrichtung 8 bei Bedarf zugeführt wird.
Diese Steuervorrichtung 8 kann als analoge Steuerung oder auch als digitale Steuerung ausgeführt werden. Sie kann je nach Zweckmäßigkeit die
Druckerhöhungsvorrichtungen 7 einzeln oder in Gruppen zusammengefasst ansteuern. Auch die individuelle Kombination von Ansteueralgorithmen je Schutzelement ist möglich.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Schutzelemente 1 mit innenliegender Druckerhöhungsvorrichtung 7 kann über die Steuervorrichtung 8 nach einem vorgegebenen Druckerhöhungsprofil gesteuert werden oder auch durch pulsierende Druckerhöhung.
Die Druckerhöhungsvorrichtung 7 ist vorzugsweise als piezoelektrische Pumpe ausgeführt.
Wie in Fig. 2 dargestellt kann in einer weitern vorzugsmäßige Ausführung die Innenfüllung 9 der
Schutzelemente 1 zur besseren Formstabilität und Dämpfungswirkung mit einer offenporigem
Schaumstofffüllung 9 ergänzt werden, was eine
inhärente Elastizität der Schutzelemente 1 bei
Kollision ergibt.
Eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung der Schutzelemente 1 besteht darin, dass die
Schaumstofffüllung 9 mit einer Außenumhüllung 11 aus ausgehärtetem Flüssigkunststoff gasdicht umhüllt ist und diese Umhüllung durch Anstrich, Besprühen oder im Tauchverfahren aufgebracht wird. Die im vorstehenden Absatz beschriebene, als Leiterplatte ausgeführte Trägerplatte 3 wird samt piezoelektrischer
Druckerhöhungsvorrichtung 7, dem innenliegenden
Drucksensor 4 und optional dem außenliegenden Drucksensor 6 nachträglich in diese Außenumhüllung 11 eingeklebt .
Diese gas-dichte Außenumhüllung 11 kann aus
elastischen Materialien mit unterschiedlichen, der jeweiligen Anwendung angepassten Eigenschaften
ausgeführt sein, wie beispielsweise
hochtemperaturfest, feuerfest, antibakteriell beschichtet oder auch in unterschiedlichen Farben zu Unterscheidungs- , Alarm- oder Gestaltungszwecken.
Ihre Schichtstärke ist variabel und beträgt
typischerweise zwischen 20 μιη und 2 mm.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante werden die Teile Schutzhülle 11 und
Schaumstofffüllung 9 aus einem Material hergestellt, welches bei gasdurchlässiger Innenstruktur in der Herstellung ein gas-dichte Außenhaut bildet, wie beispielsweise Moosgummi oder Integralschaumstoff.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Vorrichtung der Schutzelemente 1 besteht darin, dass eine an die zu schützende Oberfläche des Roboters bzw.
Manipulators 10 angepasste Formgebung verwendet wird. Diese Ausführung kann für entsprechende Oberflächen beispielsweise als ebenes oder leicht gekrümmtes Flachkissen, als Halbschalen zur Verkleidung von zylindrischen oder kegelförmigen Rohrteilen und runden Manipulator-Elementen eingesetzt werden. Die Befestigung der Schutzelemente erfolgt durch
Aufkleben, magnetische Befestigung oder Befestigungslaschen für Befestigungsschrauben an der Basisschale aus Kunststoff.
Die Ausführung der Schutzelemente 1 kann auch so erfolgen, wie in Fig. 3 und 4 im Querschnitt
dargestellt. Dabei werden die innenliegenden
Drucksensoren 4, die außenliegenden Drucksensoren 6 und die Druckerhöhungsvorrichtung 7 seitlich an den Schutzelementen angeordnet. Die kann an beliebigen Seiten der Schutzelemente 1 getrennt oder wie im Querschnitt Fig. 4 dargestellt auf einer gemeinsamen, vorzugsweise als Leiterplatte ausgeführten
Grundplatte erfolgen.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Vorrichtung der Schutzelemente 1 besteht darin, dass sie als kugel- oder pilzförmiger Taster für Schaltvorgänge wie typischerweise Not-Aus Taster oder in länglicher Leistenform für Sicherheitsschaltungen bei
Quetschleisten verwendet wird.
Die Vorrichtung und Kombinationsmöglichkeiten ihrer Ausführungsvarianten in Form und Größe gestatten es, die Steuerung unterschiedlicher Gegenmaßnahmen bei Kollisionsgefahr durch entsprechende Programmierung der Steuereinrichtung 8 zu realisieren. Gedacht ist dabei im Besonderen an Notabschaltungen,
Annäherungssteuerung über den Druckgradienten,
Annäherungssteuerungen über kapazitive
Näherungssensoren in Kombination mit dem
erfindungsgemäßen Schutzelement als Berührungssensor, vorzugsweise dadurch, dass sich das betroffene
Schutzelement bei Annäherung stärker aufbläst und so die Schutzwirkung verstärkt.
Gedacht wird dabei in gleicher Weise auch an die Kombination einer Steuerung der zu schützenden
Oberfläche des Manipulators 10 mit den
erfindungsgemäßen Schutzelementen als
Berührungssensor mit einer 3-dimensional räumlich abbildenden digitalen Kamera. Dies im Besonderen zur Absicherung der letzten Annäherungsdistanz des
Manipulators von ca. 1 bis 3 cm, die eine 3- dimensional abbildende digitale Kamera nicht oder schlecht erfasst und daher vom Manipulator im
Kriechgang zurückgelegt werden muss.

Claims

Patentansprüche
1· Verfahren zum Schutze von Personen und
ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten wie Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder
Serviceroboter und ihrer Manipulatoren vor
Kollisionen in deren Arbeitsbereich mittels
Schutzhüllen mit einem oder mehreren innenliegenden Drucksensoren dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Schutzelement (1) das Medium nicht unter
Druck von außen zugeführt wird, sondern der Überdruck in Inneren des Schutzelementes erzeugt wird und zusätzlich zu einem oder mehreren Drucksensoren (4) auch eine innenliegende Druckerhöhungsvorrichtung (7) aufweisen .
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, dass das Medium vorzugsweise
Umgebungsluft ist und durch Ansaugkanäle ansaugt wird sowie das Medium unter einem vom Steuergerät (8) aus einstellbarem Druck im Inneren des Schutzelementes erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch
gekennzeichnet, dass die Energieversorgung dieser integrierten Druckerhöhungsvorrichtung (7) mittels elektrischer Energie, die über eine außerhalb der
Schutzelemente (1) angeordnete Steuervorrichtung (8) bei Bedarf zugeführt wird.
4. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuervorrichtung
(8) als analoge Steuerung ausgeführt ist.
~> · Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuervorrichtung
(8) als digitale Steuerung ausgeführt ist.
6· Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass diese Steuervorrichtung (8) die Druckerhöhungsvorrichtungen (7) einzeln oder in Gruppen zusammengefasst ansteuern.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckerhöhungsvorrichtungen ( 7 ) über die
Steuervorrichtung (8) nach einem vorgegebenen
Druckerhöhungsprofil, auch pulsierend gesteuert werden .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckerhöhungsvorrichtung (7) über die individuelle Kombination von Ansteueralgorithmen je Schutzelement gesteuert ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass sich in Kombination mit kapazitiven Näherungssensoren nur das betroffene Schutzelement bei Kollisionsgefahr stärker aufbläst und so die Schutzwirkung verstärkt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass in Kombination mit digitaler dreidimensionaler Erfassung der
Oberflächenform eines Kollisionsgegenstandes oder einer Person sich nur das jeweils betroffene
Schutzelement bei Kollisionsgefahr stärker aufbläst und so die Schutzwirkung verstärkt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass in Kombination mit digitaler dreidimensionaler Erfassung der
Oberflächenform eines Kollisionsgegenstandes oder einer Person die Steuervorrichtung (8) die Bewegunge des Roboters und/oder des Manipulators so steuert, dass die Annäherungsgeschwindigkeit des Roboters und/oder des Manipulators auf ein sicheres Maß reduziert wird.
12. Vorrichtung zum Schutze von Personen und
ortsfesten oder autonom bewegten Hindernissen vor ortsfesten oder autonom bewegten Handhabungsgeräten wie Fertigungs-, Transport-, Inspektions- oder
Serviceroboter und ihrer Manipulatoren vor
Kollisionen in deren Arbeitsbereich mittels
Schutzhüllen mit innenliegenden Drucksensoren dadurch gekennzeichnet, dass jedem einzelnen Schutzelement (1) das Medium nicht unter Druck von außen zugeführt wird, sondern der Überdruck in Inneren des
Schutzelementes erzeugt wird und zusätzlich zu mindestens einem Drucksensor (4) auch eine innenliegende Druckerhöhungsvorrichtung (7) aufweisen .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch
gekennzeichnet, dass die Innenfüllung (9) der
Schutzelemente (1) aus offenporigem Schaumstoff besteht .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Lufteintritts- und
Kabel-Durchtritts-Kanal (13) mittels Distanzstücken (2) frei gehaltenen wird.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckerhöhungsvorrichtung (7), der oder die
innenliegenden Drucksensoren (4) und optional der oder die außenliegenden Drucksensoren (6) auf einer als gemeinsame Leiterplatte ausgebildeten
Trägerplatte (3) montiert sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstofffüllung
(9) mit einer Außenumhüllung (11) aus ausgehärtetem Flüssigkunststoff gasdicht umhüllt ist und diese
Umhüllung aufgestrichen, aufgesprüht oder im
Tauchverfahren aufgebracht wird.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstofffüllung
(9) aus einem Material hergestellt ist, welches bei gasdurchlässiger Innenstruktur eine gasdichte
Außenhaut bildet.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17 dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Außenumhüllung
(11) aus hochtemperaturfester oder antibakterieller Beschichtung besteht.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass sie in kugel-,
pilzförmiger oder in länglicher Ausführung als Taster für Schaltvorgänge verwendet werden.
PCT/AT2015/000094 2014-07-03 2015-06-30 Schutzverfahren und schutzvorrichtung für handhabungsgerät WO2016000005A1 (de)

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