WO2021244702A1 - Vorrichtung zum steuern eines manipulatorarms für einen roboter sowie manipulatorarm mit einer solchen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum steuern eines manipulatorarms für einen roboter sowie manipulatorarm mit einer solchen vorrichtung Download PDF

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WO2021244702A1
WO2021244702A1 PCT/DE2021/100453 DE2021100453W WO2021244702A1 WO 2021244702 A1 WO2021244702 A1 WO 2021244702A1 DE 2021100453 W DE2021100453 W DE 2021100453W WO 2021244702 A1 WO2021244702 A1 WO 2021244702A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
carrier
shaped element
manipulator arm
sensor
designed
Prior art date
Application number
PCT/DE2021/100453
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Zeug
Mark WERTH
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of WO2021244702A1 publication Critical patent/WO2021244702A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/06—Safety devices
    • B25J19/063—Safety devices working only upon contact with an outside object
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0208—Compliance devices

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a manipulator arm for a robot and a manipulator arm with such a device.
  • the device for controlling a manipulator arm is intended in particular for cobot applications in which it is necessary to protect the robot periphery and the workpiece.
  • Cobot applications are to be understood in particular as applications with human-robot collaboration without protective barriers.
  • WO 2019/200415 A1 discloses a device for controlling a handling device, in particular a manipulator arm for a robot.
  • the device comprises a carrier housing which can be arranged on the handling device and has a tactile sensor body arranged on the outside of the carrier housing, as well as a tool carrier movably mounted on the carrier housing.
  • the Sensorkör can be actuated by the tool carrier when the tool carrier is loaded.
  • the sensor body is formed by a gas-filled chamber which is surrounded by a flexible shell that can be deformed by collision with an obstacle and furthermore comprises a pressure sensor for measuring the gas pressure inside the chamber.
  • the object of the present invention is to propose a compact Vorrich device for controlling a manipulator arm for a robot, which after- can be upgraded, enables higher movement speeds of the manipulator arm and increases the safety in the operation of the manipulator arm.
  • the forces that occur should be reduced in the event of a collision.
  • the device according to the invention serves as a control device for the manipulator arm, this being provided both to protect the tool guided by the manipulator arm and to protect the flinder involved in the collision.
  • the tool is loaded, this load being introduced into the molded element, which in turn is displaceable, rotatable and tiltable.
  • the freedom of movement of the shaped element in the carrier serves on the one hand to detect the collision and on the other hand as a movement buffer to realize the flexibility.
  • the molded element is shifted against the force of the pneumatic device in the carrier.
  • the housing, the carrier, the pneumatic device, the formula element and the sensor device preferably form a retrofittable unit which is arranged between the manipulator arm and the tool or the tool holder.
  • the interface to the manipulator arm is preferably formed on the housing, the interface to the tool or to the tool holder being formed on the molded element. In particular, the braking distance is shortened due to the flexibility.
  • a shaped element is to be understood as a component which has a certain geometric shape, so that when a force is introduced into the shaped element via the workpiece, the position of the shaped element in the carrier is changed.
  • a change in position of the shaped element is to be understood as a shifting, twisting and / or tilting of the shaped element relative to the carrier.
  • the sensor device comprises at least one sensor element which is set up to detect the position of the shaped element in the carrier.
  • the min least one sensor element is preferably designed as a safety sensor with two channels.
  • the sensor device also includes a control and evaluation device which is set up to evaluate sensor signals and to send control signals to a control system of the manipulator arm or robot.
  • Controlling the manipulator arm is to be understood as meaning that control signals are preferably sent to the manipulator arm via lines in order to actuate it, for example to brake, stop or withdraw it, in particular to guide it into a starting position.
  • the pneumatic device is designed as a pneumatic cylinder which is preferably arranged in the interior of the housing and acts at least indirectly, that is to say directly or via at least one further element, on the shaped element.
  • a pressure of the Pneumati no device on the molded element is continuously and steplessly adjustable. For example, the pressure of the pneumatic device on the molded element is reduced if the protection of tool and obstacle is to be increased in the event of a collision. This increases the flexibility when there is contact between the tool and Obstacle, with the forces occurring as a result of the collision being reduced at the same time.
  • the carrier is designed to be at least partially complementary to the shaped element, the shaped element being set up to assume a stable position in the carrier.
  • the carrier and the shaped element therefore have at least some of the geometries, that is to say on at least one geometry section, similar geometries, so that they at least partially engage in one another or come to rest flat against one another.
  • the stable position of the shaped element in the carrier is when the shaped element, and thus also the tool connected to it, are unloaded or are only loaded by the pneumatic device.
  • the bias of the molded element in the Trä ger can be increased by means of the pneumatic device in order to increase the hold of the molded element in the carrier in the stable position.
  • the preload by the pneumatic device regulates the release force when the tool collides. The adaptability between a low trigger force for potential collision points and high trigger force for certain processes is advantageous.
  • the shaped element has at least three surfaces which, in the stable position, come to rest on three surfaces of the carrier.
  • the at least three surfaces on the shaped element and on the carrier are designed to be inclined, at least the edges between the surfaces being rounded.
  • the shaped element is centered in the carrier by means of the three mutually complementary surfaces, with a stable return position being realized.
  • the shaped element has six surfaces which, in the stable position, come to rest on six surfaces of the carrier.
  • the shaped element is preferably designed to be frustoconical, the carrier having a frustoconical receiving section for receiving the shaped element.
  • the shaped element is designed as a regular, six-sided pyramid with a flattened tip.
  • other geometries are also conceivable for the shaped element in order to realize the function of shifting, twisting and tilting relative to the carrier.
  • a frustoconical shaped element in connection fertilize with a frustoconical receiving section on the carrier realize an independent reset after deflection or rotation of the molded element.
  • the sensor device has at least three sensor elements which are arranged in the carrier evenly distributed over the circumference and are set up to detect the position of the shaped element in the carrier. In other words, an angle of 120 ° is formed between three sensor elements. This ensures reliable detection of deflections of the shaped element in all directions by means of a small number of sensor elements.
  • the at least one sensor element is designed as an inductive proximity sensor.
  • the sensitivity of the sensor elements can be adjusted via their position in the carrier. For example, a signal is only present when the shaped element is in the stable position, that is to say in the rest position.
  • Advantages of inductive proximity sensors are the insensitivity to contamination, a high degree of robustness and the possibility of performing extremely precise measurements.
  • the at least one sensor element is designed as an optical sensor.
  • the at least one sensor element generates a light barrier that is directed onto the shaped element.
  • Optical sensors also enable extremely precise measurements to be carried out and are extremely robust.
  • a pressure element for receiving a pressure from the pneumatic device and introducing this pressure into the molded element is arranged between the pneumatic device and the molded element.
  • the force is introduced from the Pneumatikeinrich device into the molded element via the pressure element.
  • the pressure element is preferably designed to be hemispherical, so that a position-independent introduction of force can take place.
  • the pressure element rests against the pneumatic device and the molded element in every position.
  • the pressure element is fixed on the shaped element.
  • the invention also relates to a manipulator arm for a robot, comprising at least one device according to the invention for controlling the manipulator arm.
  • the manipulator arm preferably has one or more manipulator arm segments which are articulated to one another via a respective robot joint.
  • each joint for example, a drive, at least having a drive motor and a transmission, is integrated.
  • An angle encoder is also preferably integrated in each joint.
  • the robot arm segments connected to one another via the respective joint can be adjusted relative to one another about an axis of rotation.
  • Several manipulator arm segments thus form a manipulator arm of the robot.
  • a tool is arranged via a receptacle.
  • At least indirectly between the tool and the manipulator arm egg ne device according to the invention for controlling the manipulator arm is arranged.
  • Figure 1 is a schematic representation of a Manipula gate arm according to the invention with a device for controlling the manipulator arm,
  • FIG. 2 shows a sectional view through the device according to the invention for controlling the manipulator arm
  • Figure 3 is a partially transparent plan view of a carrier with a form element of the device according to the invention for controlling the Manipula gate arm,
  • FIG. 4 shows a plan view of the shaped element of the device according to the invention for controlling the manipulator arm
  • FIG. 5 is a partially transparent sectional view of the carrier of the inventive device for controlling the manipulator arm.
  • a manipulator arm 8 of a robot - shown here only partially - is shown schematically.
  • the manipulator arm 8 has several robot arm segments that are connected to one another via joints.
  • a device 1 according to the invention for controlling the manipulator arm 8 is arranged at a free end 11 of the manipulator arm 8.
  • the device 1 according to the invention has a housing 2 and a non-rotatably and axially fixedly connected carrier 3.
  • the housing 2 is connected to the manipulator arm 8 via an adapter element 12 on the robot side, a shaped element 5 arranged in the carrier 3, which is shown in the following figures, being connected to a tool 7 via an adapter element 13 on the tool side.
  • the device 1 according to the invention is shown in section. This has the housing 2, which is indirectly connected to the manipulator arm 8 via the robot-side adapter element 12, the manipulator arm 8 being hidden in the present case.
  • the adapter element 12 on the robot side is firmly connected to the housing 2 by means of screws 14.
  • the carrier 3 is firmly connected to the housing 2 by means of screws 15.
  • a pneumatic device 4 designed as a pneumatic cylinder is arranged on an inner surface of the housing 2.
  • the shaped element 5 and a sensor device 6 with three sensor elements 6a-6c are at least partially arranged, with only one of the three sensor elements 6a-6c being shown due to the sectional view.
  • the shaped element 5 is connected to the tool 7 via the adapter element 13 on the tool side, the tool 7 being hidden in the present case.
  • Axially between the shaped element 5 and the pneumatic device 4 is a pressure element 10 for receiving a pressure from the pneumatic device 4 and introducing this pressure into the shaped element 5.
  • the pressure element 10 has a hemispherical shape and is connected to the shaped element 5 via a screw 16. Furthermore, the screw 16 also connects the tool-side adapter element 13 to the shaped element 5.
  • the pneumatic device 4 presses the shaped element 5 via the pressure element 10 into a stable position in the carrier 3, in the present case in the rest position.
  • a pressure of the pneumatic device 4, which acts indirectly via the pressure element 10 on the form element 5, is continuously and steplessly adjustable.
  • the carrier 3 is at least partially complementary to the shaped element 5adedbil det.
  • the shaped element 5 is frustoconical, the Trä ger 3 having a frustoconical receiving section 9 for receiving the Formele element 5.
  • the shaped element 5 can be displaced, rotated and tilted relative to the carrier 3 against the pressure of the pneumatic device 4, namely when the tool 7 collides.
  • the sensor device 6 uses the sensor elements 6a-6c to detect a relative position of the shaped element 5 to the carrier 3, the sensor device 6 activating the manipulator arm 8 when a relative movement between the shaped element 5 and the carrier 3 is detected.
  • the manipulator arm 8 is stopped immediately by means of the device 1 according to the invention.
  • the flexibility of the tool 7 due to the displaceable, rotatable and tiltable mounting of the molded element 5 in the carrier reduces the contact energy in the collision and thereby protects both the tool 7 and the collision object.
  • the basic function is based on the fact that the frustoconical Formula element 5 is pressed into the frustoconical receiving section 9 on the carrier 3 by the pneumatic device 4.
  • the pneumatic device 4 thus functions as an adjustable compression spring, whereby the force that is required to push the formula element 5 out of the receiving section 9 on the carrier 3 can be adjusted via the applied pressure.
  • the frustoconical geometry of the shaped element 5 is particularly advantageous. In addition to a stable position or latching position in the basic position, this ensures automatic resetting after deflection.
  • the three sensor elements 6a-6c which are designed as two-channel safety sensors and are arranged at an angle of 120 °, detect both a deflection and a rotation of the molded element 5.
  • the carrier 3 and the shaped element 5 arranged therein are shown partially transparent in a top view.
  • the shaped element 5 has six surfaces 5a-5f, which in the stable position come to rest on six surfaces 3a-3f of the carrier 3.
  • the sensor device 6 has three sensor elements 6a-6c, which over the circumference are arranged evenly distributed in the carrier 3 and are set up to detect the position of the shaped element 5 in the carrier 3.
  • the position of the sensor elements 6a-6c in holes provided for this purpose on the carrier 3 is indicated by the arrows with the reference numerals 6a, 6b, 6c.
  • the sensor elements 6a-6c are designed as inductive proximity sensors.
  • the sensor elements 6a-6c can be designed as optical sensors.
  • Figure 4 shows a top view of the truncated cone of the shape element 5.
  • the end face of the shape element 5 on the truncated cone has three holes 17, 18, the middle hole 17 is provided for receiving the screw 16 for the tool-side adapter element 13, and the two outer bores 18 for receiving centering means or fixing means (not shown in detail) between pressure element 10 and shaped element 5 are provided.
  • three further bores 19 for the sensor elements 6a-6c in the surfaces 5a, 5c, 5e on the molded element 5 are shown.
  • six rounded portions 20a-20f are formed by forming radii between the surfaces 5a-5f.
  • FIG. 5 shows a lateral, partially transparent, sectional view of the carrier 3.
  • the frustoconical receiving section 9 is designed to be complementary to the frustoconical geometry of the carrier 3.
  • the frustoconical receiving section 9 forms a negative contour in relation to the positive contour of the molding element 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Steuern eines Manipulatorarms (8) für einen Roboter, umfassend ein Gehäuse (2), das dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar an dem Manipulatorarm (8) angeordnet zu sein, ein mit dem Gehäuse (2) drehfest und axialfest verbundener Träger (3), eine an dem Gehäuse (2) angeordnete Pneumatikeinrichtung (4), ein zumindest teilweise in dem Träger (3) angeordnetes Formelement (5) und mindestens eine Sensorvorrichtung (6), wobei das Formelement (5) dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar ein Werkzeug (7) für das Handhabungsgerät (1) aufzunehmen, wobei die Pneumatikeinrichtung (4) zumindest mittelbar das Formelement (5) in den Träger (3) drückt, wobei das Formelement (5) gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung (4) relativ zum Träger (3) verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (6) zumindest zur Erfassung einer Relativposition zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) ausgebildet ist, und wobei die Sensorvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, den Manipulatorarm (8) anzusteuern, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) erfasst wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Manipulatorarm (8) für einen Roboter, umfassend eine solche Vorrichtung (1).

Description

Vorrichtung zum Steuern eines Manipulatorarms für einen Roboter sowie
Manipulatorarm mit einer solchen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Manipulatorarms für einen Roboter sowie einen Manipulatorarm mit einer solchen Vorrichtung.
Die Vorrichtung zum Steuern eines Manipulatorarms ist insbesondere für Cobot- Anwendungen vorgesehen, bei denen eine Absicherung von Roboterperipherie und Werkstück notwendig ist. Unter Cobot-Anwendungen sind insbesondere Anwendun gen mit Mensch-Roboter-Kollaboration ohne Schutzbarrieren zu verstehen.
Allgemein bekannt sind Kraft- und Leistungsbegrenzungsvorrichtungen, die in Manipu latorarmen integriert sind. Bei einer ungewollten Kollision des Manipulatorarms mit ei nem Hindernis wird die abweichende Kraft bzw. das Drehmoment von der Kraft- und Leistungsbegrenzungsvorrichtung erkannt und der Roboter gestoppt. Problematisch ist, dass die Kollisionserkennung erst unmittelbar nach der Kollision anspricht. Daher addieren sich die Reaktionszeit dieses Systems mit dem Bremsweg bis zum komplet ten Stopp des Systems. Der Bremsweg nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit des Manipulatorarms zu. Aufgrund der meist scharfen Kanten und spitzen Ecken des Werkzeugs ist bei einer Kollision des Werkzeugkopfs mit einem menschlichen Hinder nis die Verletzungsgefahr besonders hoch.
Beispielsweise geht aus der WO 2019/200415 A1 eine Vorrichtung zum Steuern eines Handhabungsgeräts, insbesondere eines Manipulatorarms für einen Roboter hervor. Die Vorrichtung umfasst ein auf dem Handhabungsgerät anordenbares Trägergehäu se mit einem außen auf dem Trägergehäuse angeordneten taktilen Sensorkörper so wie einen am Trägergehäuse beweglich gelagerten Werkzeugträger. Der Sensorkör per ist bei Belastung des Werkzeugträgers von dem Werkzeugträger betätigbar. Fer ner ist der Sensorkörper von einer gasgefüllten Kammer gebildet, die von einer flexib len, durch Kollision mit einem Hindernis verformbaren Hülle umgeben ist und weiters einen Drucksensor zur Messung des Gasdrucks im Inneren der Kammer umfasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompaktbauende Vorrich tung zum Steuer eines Manipulatorarms für einen Roboter vorzuschlagen, die nach- rüstbar ist, höhere Bewegungsgeschwindigkeiten des Manipulatorarms ermöglicht und die Sicherheit im Betrieb des Manipulatorarms erhöht. Insbesondere sollen bei einer Kollision die auftretenden Kräfte verringert werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 . Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer eines Manipulatorarms für einen Ro boter umfasst ein Gehäuse, das dazu eingerichtet ist, an dem Manipulatorarm ange ordnet zu sein, ein zumindest mittelbar mit dem Gehäuse drehfest und axialfest ver bundener Träger, eine an dem Gehäuse angeordnete Pneumatikeinrichtung, ein zu mindest teilweise in dem Träger angeordnetes Formelement und mindestens eine Sensorvorrichtung, wobei das Formelement dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar ein Werkzeug für das Flandhabungsgerät aufzunehmen, wobei die Pneumatikeinrich tung zumindest mittelbar das Formelement in den Träger drückt, wobei das Formele ment gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung relativ zum Träger verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung zumin dest zur Erfassung einer Relativposition zwischen dem Formelement und dem Träger ausgebildet ist, und wobei die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, den Manipula torarm anzusteuern, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement und dem Träger erfasst wird.
Mit anderen Worten dient die erfindungsgemäße Vorrichtung als Steuervorrichtung für den Manipulatorarm, wobei diese sowohl zum Schutz des von dem Manipulatorarm geführten Werkzeugs als auch zum Schutz des in der Kollision verwickelten Flinder- nisses vorgesehen ist. Denn bei einer Kollision des Werkzeugs, das über die erfin dungsgemäße Vorrichtung nachgiebig mit dem Manipulatorarm verbunden ist, wird das Werkzeug belastet, wobei diese Belastung in das Formelement eingeleitet wird, das seinerseits verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist. Die Bewegungsfreiheit des Formelements im Träger dient zum einen zur Erkennung der Kollision und zum anderen als Bewegungspuffer zur Realisierung der Nachgiebigkeit. Das Formelement wird bei einer Kollision gegen die Kraft der Pneumatikeinrichtung im Träger verscho ben. Bevorzugt bilden das Gehäuse, der Träger, die Pneumatikeinrichtung, das Formele ment und die Sensorvorrichtung eine nachrüstbare Einheit, die zwischen dem Manipu latorarm und dem Werkzeug bzw. der Werkzeugaufnahme angeordnet sind. Vor zugsweise ist an dem Gehäuse die Schnittstelle zum Manipulatorarm ausgebildet, wobei die Schnittstelle zu dem Werkzeug bzw. zu der Werkzeugaufnahme an dem Formelement ausgebildet ist. Insbesondere verkürzt sich aufgrund der Nachgiebigkeit der Bremsweg.
Unter einem Formelement ist ein Bauteil zu verstehen, welches eine bestimmte geo metrische Form aufweist, sodass bei einer Krafteinleitung über das Werkstück in das Formelement eine Positionsveränderung des Formelements im Träger erfolgt. Unter einer Positionsveränderung des Formelements ist ein Verschieben, Verdrehen und/oder Verkippen des Formelements relativ zum Träger zu verstehen.
Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, das dazu eingerichtet ist, die Position des Formelements im Träger zu erfassen. Vorzugsweise ist das min destens eine Sensorelement als Sicherheitssensor mit zwei Kanälen ausgebildet. Ins besondere umfasst die Sensorvorrichtung auch eine Steuer- und Auswerteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Sensorsignale auszuwerten und Steuersignale an ein Steue rungssystem des Manipulatorarms bzw. Roboters zu senden.
Unter einem Ansteuern des Manipulatorarms ist zu verstehen, dass Steuersignale vorzugsweise über Leitungen an den Manipulatorarm gesendet werden, um diesen zu betätigen, beispielsweise abzubremsen, anzuhalten oder zurückzuziehen, insbeson dere in eine Ausgangsposition zu führen.
Insbesondere ist die Pneumatikeinrichtung als Pneumatikzylinder ausgebildet, der vorzugsweise im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und zumindest mittelbar, also direkt oder über mindestens ein weiteres Element auf das Formelement einwirkt. Ge mäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Druck der Pneumati keinrichtung auf das Formelement kontinuierlich und stufenlos einstellbar. Beispiels weise wird der Druck der Pneumatikeinrichtung auf das Formelement verringert, wenn der Schutz von Werkzeug und Hindernis bei einer Kollision erhöht werden soll. Dadurch erhöht sich die Nachgiebigkeit bei einem Kontakt zwischen Werkzeug und Hindernis, wobei gleichzeitig die auftretenden Kräfte in Folge der Kollision verringert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger zumindest teilweise komplementär zu dem Formelement ausgebildet, wobei das Formelement dazu eingerichtet ist, eine stabile Position in dem Träger einzunehmen. Mithin weisen der Träger und das Formelement zumindest teilweise, also an mindestens einem Ge ometrieabschnitt ähnliche Geometrien auf, sodass diese zumindest teilweise ineinan der greifen bzw. aneinander flächig zur Anlage kommen. Die stabile Position des Formelements im Träger liegt dann vor, wenn das Formelement, somit auch das damit verbundene Werkzeug unbelastet sind bzw. nur durch die Pneumatikeinrichtung be lastet werden. Je nach Betrieb kann die Vorspannung des Formelements in dem Trä ger mittels der Pneumatikeinrichtung erhöht werden, um den Halt des Formelements im Träger in der stabilen Position zu erhöhen. Die Vorspannung durch die Pneumati keinrichtung regelt die Auslösekraft bei der Kollision des Werkzeugs. Vorteilhaft ist die Anpassbarkeit zwischen geringer Auslösekraft bei potentiellen Kollisionsstellen und hohen Auslösekräften für bestimmte Prozesse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Formelement mindestens drei Flächen auf, die in der stabilen Position an drei Flächen des Trägers zur Anlage kommen. Insbesondere sind die mindestens drei Flächen am Formelement und am Träger schräg ausgebildet, wobei zumindest die Kanten zwischen den Flä chen abgerundet ausgebildet sind. Mittels der drei komplementär zueinander ausge bildeten Flächen wird das Formelement im Träger zentriert, wobei eine stabile Rück stellposition realisiert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Formelement sechs Flächen auf, die in der stabilen Position an sechs Flächen des Trägers zur Anlage kommen.
Vorzugsweise ist das Formelement kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Träger einen kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme des Formelements aufweist. Insbesondere ist das Formelement als regelmäßige, sechsseitige Pyramide mit abgeflachter Spitze ausgebildet. Grundsätzlich sind auch weitere Geometrien für das Formelement denkbar, um die Funktion Verschieben, Verdrehen und Verkippen relativ zum Träger zu verwirklichen. Ein kegelstumpfförmiges Formelement in Verbin- düng mit einem kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt am Träger realisieren eine selbstständige Rückstellung nach Auslenkung bzw. Verdrehung des Formelements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorvorrich tung mindestens drei Sensorelemente auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt in dem Träger angeordnet und dazu eingerichtet sind, die Position des Formelements im Träger zu erfassen. Mit anderen Worten ist zwischen drei Sensorelementen jeweils ein Winkel von 120° ausgebildet. Dadurch wird mittels einer geringen Anzahl von Sensorelementen eine zuverlässige Detektion von Auslenkungen des Formelements in allen Richtungen gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Sensorelement als induktiver Näherungssensor ausgebildet. Die Sensitivität der Sen sorelemente kann über ihre Position im Träger eingestellt werden. Beispielsweise liegt nur dann ein Signal an, wenn sich das Formelement in der stabilen Position, also in der Ruhelage befindet. Vorteile von induktiven Näherungssensoren sind die Unemp findlichkeit gegen Verunreinigungen, eine hohe Robustheit und die Möglichkeit der Durchführung von äußerst präzisen Messungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Sensorelement als optischer Sensor ausgebildet. Beispielsweise generiert das min destens eine Sensorelement eine Lichtschranke, die auf das Formelement gerichtet ist. Auch optische Sensoren ermöglichen die Durchführung von äußerst präzisen Messungen und weisen eine hohe Robustheit auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Pneumati keinrichtung und dem Formelement ein Druckelement zur Aufnahme eines Druckes von der Pneumatikeinrichtung und Einleitung dieses Druckes in das Formelement an geordnet. Über das Druckelement erfolgt die Krafteinleitung von der Pneumatikeinrich tung in das Formelement. Vorzugsweise ist das Druckelement halbkugelförmig aus gebildet, sodass eine positionsunabhängige Krafteinleitung erfolgen kann. Insbeson dere liegt das Druckelement in jeder Position an der Pneumatikeinrichtung und am Formelement an. Insbesondere ist das Druckelement an dem Formelement fixiert. Ferner betrifft die Erfindung einen Manipulatorarm für einen Roboter, umfassend zu mindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer des Manipulatorarms. Der Manipulatorarm weist vorzugsweise einen oder mehrere Manipulatorarmsegmente auf, welche über ein jeweiliges Robotergelenk miteinander gelenkig verbunden sind.
In jedem Gelenk ist beispielsweise ein Antrieb, zumindest aufweisend einen An triebsmotor und ein Getriebe, integriert. Vorzugsweise ist ferner ein Winkelencoder in jedem Gelenk integriert. Die miteinander über das jeweilige Gelenk verbundenen Ro boterarmsegmente sind um eine Drehachse relativ zueinander verstellbar. Mehrere Manipulatorarmsegmente bilden somit einen Manipulatorarm des Roboters aus. An einem freien Ende des Manipulatorarms ist über eine Aufnahme ein Werkzeug ange ordnet. Zumindest mittelbar zwischen dem Werkzeug und dem Manipulatorarm ist ei ne erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuer des Manipulatorarms angeordnet.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Manipula torarms mit einer Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms,
Figur 2 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms,
Figur 3 eine teilweise transparente Draufsicht auf einen Träger mit einem Form element der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Manipula torarms,
Figur 4 eine Draufsicht auf das Formelement der erfindungsgemäßen Vorrich tung zum Steuern des Manipulatorarms, und
Figur 5 eine teilweise transparente Schnittdarstellung des Trägers der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Manipulatorarms. Gemäß Figur 1 ist ein Manipulatorarm 8 eines - hier nur teilweise dargestellten - Ro boters schematisiert gezeigt. Der Manipulatorarm 8 weist mehrere Roboterarmseg mente auf, die über Gelenke miteinander verbunden sind. An einem freien Ende 11 des Manipulatorarms 8 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Steuern des Manipulatorarms 8 angeordnet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist ein Ge häuse 2 und ein drehfest sowie axialfest damit verbundenen Träger 3 auf. Das Ge häuse 2 ist über ein roboterseitiges Adapterelement 12 mit dem Manipulatorarm 8 verbunden, wobei ein in dem Träger 3 angeordnetes Formelement 5, das in den nach folgenden Figuren dargestellt ist, über ein werkzeugseitiges Adapterelement 13 mit einem Werkzeug 7 verbunden ist.
In Figur 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 geschnitten dargestellt. Diese weist das Gehäuse 2 auf, das mittelbar über das roboterseitige Adapterelement 12 mit dem Manipulatorarm 8 verbunden ist, wobei vorliegend der Manipulatorarm 8 ausgeblendet ist. Das roboterseitige Adapterelement 12 ist über Schrauben 14 fest mit dem Gehäu se 2 verbunden. Ferner ist der Träger 3 über Schrauben 15 mit dem Gehäuse 2 fest verbunden.
An einer Innenfläche des Gehäuses 2 ist eine als Pneumatikzylinder ausgebildete Pneumatikeinrichtung 4 angeordnet. In dem Träger 3 ist zumindest teilweise das Formelement 5 und eine Sensorvorrichtung 6 mit drei Sensorelementen 6a-6c ange ordnet, wobei aufgrund der Schnittdarstellung vorliegend nur eines der drei Sensorel emente 6a-6c dargestellt ist. Das Formelement 5 ist über das werkzeugseitige Adap terelement 13 mit dem Werkzeug 7 verbunden, wobei vorliegend das Werkzeug 7 ausgeblendet ist.
Axial zwischen dem Formelement 5 und der Pneumatikeinrichtung 4 ist ein Druckele ment 10 zur Aufnahme eines Druckes von der Pneumatikeinrichtung 4 und Einleitung dieses Druckes in das Formelement 5 angeordnet. Das Druckelement 10 ist halbku gelförmig ausgebildet und mit dem Formelement 5 über eine Schraube 16 verbunden. Ferner verbindet die Schraube 16 auch das werkzeugseitige Adapterelement 13 mit dem Formelement 5. Die Pneumatikeinrichtung 4 drückt das Formelement 5 über das Druckelement 10 in eine stabile Position in den Träger 3, vorliegend in die Ruhelage. Ein Druck der Pneumatikeinrichtung 4, der mittelbar über das Druckelement 10 auf das Formelement 5 einwirkt, ist kontinuierlich und stufenlos einstellbar.
Der Träger 3 ist zumindest teilweise komplementär zu dem Formelement 5 ausgebil det. Vorliegend ist das Formelement 5 kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei der Trä ger 3 einen kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt 9 zur Aufnahme des Formele ments 5 aufweist. Das Formelement 5 ist gegen den Druck der Pneumatikeinrichtung 4 relativ zum Träger 3 verschiebbar, verdrehbar und verkippbar, und zwar dann, wenn das Werkzeug 7 kollidiert. Die Sensorvorrichtung 6 erfasst über die Sensorelemente 6a-6c eine Relativposition des Formelements 5 zum Träger 3, wobei die Sensorvor richtung 6 den Manipulatorarm 8 ansteuert, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement 5 und dem Träger 3 erfasst wird. Beispielsweise wird bei einer Kol lision des Werkzeugs 7 und Auslenkung des Formelements 5 der Manipulatorarm 8 mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 unverzüglich gestoppt. Die Nachgiebig keit der Werkzeugs 7 aufgrund der verschiebbaren, verdrehbaren und verkippbaren Lagerung des Formelements 5 im Träger vermindert die Kontaktenergie bei der Kolli sion und schützt dadurch sowohl das Werkzeug 7 als auch das Kollisionsobjekt.
Die grundsätzliche Funktion beruht darauf, dass das kegelstumpfförmige Formele ment 5 durch die Pneumatikeinrichtung 4 in den kegelstumpfförmigen Aufnahmeab schnitt 9 am Träger 3 gedrückt wird. Die Pneumatikeinrichtung 4 fungiert somit als verstellbare Druckfeder, wodurch sich die Kraft, die benötigt wird, um das Formele ment 5 aus dem Aufnahmeabschnitt 9 am Träger 3 zu drücken über den anliegenden Druck einstellen lässt. Besonders vorteilhaft ist die kegelstumpfförmige Geometrie des Formelements 5. Diese sorgt neben einer stabilen Position bzw. Rastposition in der Grundstellung für eine automatische Rückstellung nach Auslenkung. Die drei Senso relemente 6a-6c, die als zweikanalige Sicherheitssensoren ausgebildet und in einem Winkel von 120° angeordnet sind, erfassen sowohl eine Auslenkung als auch eine Ro tation des Formelements 5.
Gemäß Figur 3 sind der Träger 3 und das darin angeordnete Formelement 5 teilweise transparent in einer Draufsicht dargestellt. Das Formelement 5 weist sechs Flächen 5a-5f auf, die in der stabilen Position an sechs Flächen 3a-3f des Trägers 3 zur Anla ge kommen. Die Sensorvorrichtung 6 weist drei Sensorelemente 6a-6c auf, die über den Umfang gleichmäßig verteilt in dem Träger 3 angeordnet und dazu eingerichtet sind, die Position des Formelements 5 im Träger 3 zu erfassen. Vorliegend ist die Po sition der Sensorelemente 6a-6c in dafür vorgesehene Bohrungen am Träger 3 durch die Pfeile mit den Bezugszeichen 6a, 6b, 6c angedeutet. Beispielsweise sind die Sen sorelemente 6a-6c als induktive Näherungssensoren ausgebildet. Alternativ und hier nicht dargestellt können die Sensorelemente 6a-6c als optische Sensoren ausgebildet sein.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf den Kegelstumpf des Formelements 5. Die Stirnseite des Formelements 5 am Kegelstumpf weist drei Bohrungen 17, 18 auf, wobei die mitt lere Bohrung 17 zur Aufnahme der Schraube 16 für das werkzeugseitige Adapterele ment 13 vorgesehen ist, und wobei die beiden äußeren Bohrungen 18 zur Aufnahme von nicht näher dargestellten Zentriermittel bzw. Fixiermittel zwischen Druckelement 10 und Formelement 5 vorgesehen sind. Ferner sind drei weitere Bohrungen 19 für die Sensorelemente 6a-6c in den Flächen 5a, 5c, 5e am Formelement 5 dargestellt. Umfangsseitig zwischen den sechs Flächen 5a-5f am Formelement 5 sind sechs Ab rundungen 20a-20f, durch Ausbildung von Radien zwischen den Flächen 5a-5f aus gebildet.
Figur 5 zeigt eine seitliche teilweise transparente Schnittdarstellung des Trägers 3. Aus Figur 5 ist ersichtlich, dass der kegelstumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 am Trä ger 3, zumindest zur teilweisen Aufnahme des Formelements 5 eingerichtet ist. Dazu ist der kegelstumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 komplementär zu der kegelstumpf förmigen Geometrie des Trägers 3 ausgebildet. Mit anderen Worten bildet der kegel stumpfförmige Aufnahmeabschnitt 9 eine Negativkontur zu der Positivkontur des Formelements 5 aus. Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Gehäuse 3 Träger
3a-3f Fläche am Träger
4 Pneumatikeinrichtung
5 Formelement
5a-5f Fläche am Formelement 6 Sensorvorrichtung
6a-6c Sensorelement
7 Werkzeug
8 Manipulatorarm 9 Aufnahmeabschnitt 10 Druckelement
11 freies Ende des Manipulatorarms 12 roboterseitiges Adapterelement
13 werkzeugseitiges Adapterelement
14 Schraube 15 Schraube
16 Schraube
17 Bohrung
18 Bohrung 19 Bohrung 20a-20f Abrundung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zum Steuern eines Manipulatorarms (8) für einen Roboter, um fassend ein Gehäuse (2), das dazu eingerichtet ist, zumindest mittelbar an dem Mani pulatorarm (8) angeordnet zu sein, ein mit dem Gehäuse (2) drehfest und axialfest verbundener Träger (3), eine an dem Gehäuse (2) angeordnete Pneumatikeinrich tung (4), ein zumindest teilweise in dem Träger (3) angeordnetes Formelement (5) und mindestens eine Sensorvorrichtung (6), wobei das Formelement (5) dazu einge richtet ist, zumindest mittelbar ein Werkzeug (7) für die Vorrichtung (1 ) aufzunehmen, wobei die Pneumatikeinrichtung (4) zumindest mittelbar das Formelement (5) in den Träger (3) drückt, wobei das Formelement (5) gegen den Druck der Pneumatikeinrich tung (4) relativ zum Träger (3) verschiebbar, verdrehbar und verkippbar ist, wobei die mindestens eine Sensorvorrichtung (6) zumindest zur Erfassung einer Relativposition zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) ausgebildet ist, und wobei die Sensorvorrichtung (6) dazu eingerichtet ist, den Manipulatorarm (8) anzusteuern, wenn eine Relativbewegung zwischen dem Formelement (5) und dem Träger (3) er fasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) zumindest teilweise komplementär zu dem Formelement (5) ausgebildet ist, wobei das Formelement (5) dazu eingerichtet ist, eine stabile Position in dem Träger (3) einzunehmen, wobei das Formelement (5) mindestens drei Flächen (5a-5f) aufweist, die in der stabilen Position an drei Flä chen (3a-3f) des Trägers (3) zur Anlage kommen.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (5) kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei der Träger (3) einen kegelstumpfförmigen Aufnahmeabschnitt (9) zur Auf nahme des Formelements (5) aufweist.
3. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (6) mindestens drei Sensorel emente (6a-6c) aufweist, die über den Umfang gleichmäßig verteilt in dem Träger (3) angeordnet und dazu eingerichtet sind, die Position des Formelements (5) im Trä ger (3) zu erfassen.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (6a-6c) als in duktiver Näherungssensor ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (6a-6c) als op tischer Sensor ausgebildet ist.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pneumatikeinrichtung (4) und dem Formelement (5) ein Druckelement (10) zur Aufnahme eines Druckes von der Pneu matikeinrichtung (4) und Einleitung des Druckes in das Formelement (5) angeordnet ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck der Pneumatikeinrichtung (4), der zumin dest mittelbar auf das Formelement (5) einwirkt, kontinuierlich und stufenlos einstell bar ist.
8. Manipulatorarm (8) für einen Roboter, umfassend zumindest eine Vorrich tung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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