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Die Erfindung betrifft einen Industrieroboter mit einer Roboterbasis und einem darauf beweglich angeordneten Manipulator mit einem als Greifer oder Werkzeug ausgebildeten Effektor.
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Industrieroboter werden in verschiedensten Bereichen der Industrie, insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt und sind mit mehreren Anordnungen von seriell gekoppelten Antriebsachsen ausgestattet, die eine Rotations- und/oder Schwenk- und/oder eine Translationsbewegung eines Effektors, bspw. eines Greifers oder eines Bearbeitungswerkzeuge innerhalb eines bestimmten Arbeitsraumes erzeugen.
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Bei der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter (MRK-System) ohne trennende Schutzeinrichtung nach dem Prinzip der Kraft- und Leistungsbegrenzung dürfen zu keiner Zeit schmerzende oder gar verletzende Belastungen auf die Bedienpersonen wirken (z. B. durch Kollision oder Quetschen). Roboter, welche mit einer Kraft-Momenten-Sensorik und teilweise dämpfenden Ummantelungen und/oder sicheren taktilen Schaltelementen ausgestattet sind, um diese Belastungen zu begrenzen, sind bekannt.
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Ein gattungsbildender Industrieroboter ist aus der
DE 10 2010 046 397 A1 bekannt, welcher eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Manipulators des Industrieroboters aufweist. Diese Überwachungseinrichtung besteht aus zwei an diametral gegenüberliegenden Ecken einer mobilen rechteckförmigen Basis des Industrieroboters angeordneten Laserscannern, die jeweils eine horizontale Kreissegmentfläche überwachen. Zusammen bilden diese beiden Kreissegmentflächen eine zu überwachende horizontale Sicherheitsfläche. Mittels geeigneter Umlenkspiegel können die Laserstrahlen auch senkrecht nach oben umgelenkt werden, wodurch eine senkrecht verlaufende Sicherheitsfläche gebildet wird.
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Aus der
DE 10 2012 007 242 A1 ist ein Überwachungssystem für eine Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) bekannt, welches hohe Standards bezüglich der Sicherheit des Bedienpersonals erfüllen soll und gleichzeitig eine effektive Zusammenarbeit zwischen dem Bedienpersonal und einem Roboter zulassen soll. Bei diesem bekannten Mensch-Roboter-Kooperationssystem sind eine Erkennungseinheit für eine Bedienperson, mindestens ein Überwachungssensor sowie eine Kontrolleinheit vorgesehen. Die Erkennungseinheit dient zum Erfassen einer Position der Bedienperson und/oder eines Bewegungsverhaltens mindestens eines Körperteils der Bedienperson sowie zur Steuerung des Roboters. Mit dem Überwachungssensor wird ein Gefahrenbereich um den Roboter festgelegt, in welchem der Aufenthalt der Bedienperson nicht oder nur eingeschränkt erlaubt ist. Ferner wird mit diesem Überwachungssensor ein Bereichsübertritt der Bedienperson und/oder des Roboters in und aus dem Gefahrenbereich detektiert. Mit einem solchen Überwachungssystem soll eine Kollision der Bedienperson mit dem Roboter verhindert werden.
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Solche stationär angeordneten und berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen, wie bspw. Laserscanner, mit denen bei Verletzung eines Gefahrenbereiches sämtliche Roboterbewegungen abgeschaltet werden, weisen den Nachteil auf, dass solche Schutzeinrichtungen an jeder exponierten Gefahrenstelle angeordnet werden müssen und dadurch ein erhöhter Aufwand entsteht.
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Weitere Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von Kollisionen mit einer Bedienperson mit dem Industrieroboter zu verhindern, besteht in einer mechanischen Entkopplung, d. h. das Ausklinken mechanischer Elemente bei Kraftanstieg. Analoge Realisierungen werden auch beim Schließen von Greifern zur Vermeidung verletzender Quetschung eingesetzt. Ferner werden auch Polsterungen und federnde Elemente eingesetzt, um Verletzungen bei Kollisionen abzumildern. Dies führt in nachteiliger Weise zu Prozessunterbrechungen durch ein erneutes mechanisches Koppeln bzw. Einklinken.
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Der Einsatz von taktilen Sensoren zur Vermeidung von verletzenden Kollisionen würde einen vollflächigen Schutz auch an dem zu bearbeiteten Werkstück erforderlich machen, wodurch der Aufwand sehr hoch wird. Zudem wäre auch die Einhaltung zulässiger biomechanischer Grenzwerte durch aufwändige Messungen nachzuweisen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Industrieroboter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Sicherheit des Bedienpersonals erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Industrieroboter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Industrieroboter mit einer Roboterbasis und einem darauf in mehreren Bewegungsachsen beweglich angeordneten Manipulator mit einem als Greifer oder Werkzeug ausgebildeten Effektor zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – der Manipulator mit mehreren Laserscannern ausgebildet ist, die kreisförmig um den Effektor angeordnet sind, und
- – die Laserscanner zur Erzeugung von Überwachungsflächen ausgebildet sind, die zusammen einen von dem Effektor ausgehenden, trichterförmig sich erweiternden Überwachungsraum bilden, der den Effektor rahmenartig umschließt.
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Der wesentlichste Vorteil dieses erfindungsgemäßen Industrieroboters besteht darin, dass der Überwachungsraum mit dem Manipulator mitgeführt wird. Ferner erlaubt die Verwendung von Laserscannern eine berührungslose Absicherung des Effektors ohne verletzenden Kontakt zwischen dem Bedienpersonal und dem Industrieroboter. Aufgrund der berührungslosen Absicherung sind keine Kraft/Druck-Messungen und zugehörige Dokumentationen zum Nachweis der Einhaltung zulässiger biomechanischer Belastungen erforderlich.
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Weiterhin ist es möglich den Überwachungsraum ohne Hardwareänderungen anzupassen und eine Umschaltung zwischen verschiedenen Überwachungsräumen, die sich in Größe und Form unterscheiden können, automatisch im Programmablauf der Steuerung des Industrieroboters zu realisieren.
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Schließlich wird auch die Anzahl von Hardware-Komponenten reduziert, da nicht mehr alle kritischen Bereiche im Bewegungsraum des Industrieroboters abgesichert werden müssen.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Manipulator mit wenigstens drei Laserscannern ausgebildet, deren Überwachungsflächen einen pyramidenstumpfförmigen Überwachungsraum bilden. Ferner ist es natürlich auch möglich, den Manipulator mit mehr als drei Laserscannern auszustatten.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn weiterbildungsgemäß die Laserscanner derart ausgebildet sind, dass ein von einem Greifer aufgenommenes Bauteil von dem von den Laserscannern erzeugten Überwachungsraum. rahmenartig umschlossen ist. Somit wird auch gleichzeitig eine Absicherung eines von einem Greifer des Industrieroboters aufgenommenen Bauteils realisiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Industrieroboters gemäß der Erfindung, und
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2 eine schematische perspektivische Detaildarstellung des Industrieroboters nach 1 in einer Draufsicht auf dessen Greifer.
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Der in den 1 und 2 dargestellte Industrieroboter 1 umfasst einen Manipulator 3, der um eine Vertikalachse drehbar auf einer ortsfesten Roboterbasis 2 steht. Der Manipulator 3 weist mehrere seriell gekoppelte Antriebsachsen auf, die eine Rotations- und/oder Schwenk- und/oder eine Translationsbewegung eines am Ende des Manipulators 3 angeordneten Effektors 4 ermöglichen. In den 1 und 2 ist der Effektor 4 als Greifer 4.1 mit drei Greiferfingern 4.10 ausgeführt. Anstelle eines Greifers 4.1 kann auch ein Bearbeitungswerkzeug, bspw. ein Schweißwerkzeug an dem Manipulator 3 angeflanscht werden.
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An dem Manipulator 3 sind endseitig Laserscanner 5 angeordnet, die den Greifer 4.1 kreisförmig umschließen. So ist ein erster Laserscanner 5.1, ein zweiter Laserscanner 5.2, ein dritter Laserscanner 5.3 und ein vierter Laserscannern 5.4 jeweils radial um die Längsachse A des Effektors 4 versetzt um 90° zwischen dem Greifer 4.1 und dem Ende des Manipulators 3 angeordnet.
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Jeder dieser Laserscanner 5.1 bis 5.4 erzeugt eine Überwachungsfläche, der erste Laserscanner 5.1 eine Überwachungsfläche 5.10, der zweite Laserscanner 5.2 eine Überwachungsfläche 5.20, der dritte Laserscanner 5.3 eine Überwachungsfläche 5.30 und der vierte Laserscanner 5.4 eine Überwachungsfläche 5.40, die sich gegenseitig zu einem von dem Greifer 4.1 ausgehenden trichterförmigen Überwachungsraum 6 ergänzen. Innerhalb dieses Überwachungsraumes 6 befindet sich der Greifer 4.1 mit den Greiferfingern 4.10. Bei der Verwendung von vier Laserscannern 5.1 bis 5.4 hat dieser Überwachungsraum 6 die Kontur eines Pyramidenstumpfes mit rechteckförmigem Querschnitt. Mit drei eingesetzten Laserscannern ergibt sich ein Pyramidenstumpf mit einem dreiecksförmigen Querschnitt, wobei auch diese drei Laserscanner umfangsmäßig in gleichen Abständen angeordnet sind. Natürlich können auch mehr als vier Laserscanner verwendet werden.
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Die Überwachungsflächen 5.10, 5.20, 5.30 und 5.40 werden von den Laserscannern 5.1 bis 5.4 so erzeugt, dass der Überwachungsraum 6 in axialer Richtung bezüglich der Längsachse A über das Ende der Greiferfinger 4.10 hinausragt, so dass auch ein von dem Greifer 4.1 aufgenommenes Bauteil 10 (vgl. 2) von dem Überwachungsraum 6 umrahmt wird. Daher erstreckt sich gemäß 1 der Überwachungsraum 6 ausgehend vom Ende des Manipulators 3 nicht nur bis zum Ende der Greiferfinger 4.1 mit einer Höhe H, sondern darüber hinausgehend mit einer Höhe H + ΔH.
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Dieser Überwachungsraum 6 kann mittels den Laserscannern 5.1 bis 5.4 so erzeugt werden, dass der Greifer 4.1 oder ein entsprechendes Werkzeug und die von dem Greifer 4.1 aufgenommenen Bauteile 10 jeweils ganz oder zumindest die gefahrbringenden Teile oder Abschnitte von diesem Überwachungsraum 6 umhüllt werden.
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Die den Überwachungsraum 6 bildenden Überwachungsflächen 5.10 bis 5.40 werden anwendungsspezifisch in Größe und Form mittels der Laserscanner 5.1 bis 5.4 erzeugt, d. h. werden bspw. in Abhängigkeit von den Bewegungsbahnen des Manipulators 3, von den geometrischen und mechanischen Eigenschaften beteiligter potentieller Kollisionspartner und Geschwindigkeiten konfiguriert und in die Sicherheitssteuerung des Industrieroboters 1 integriert.
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Wird eine Verletzung dieses Überwachungsraumes 6, also ein Eintauchen eines Hindernisses detektiert, wird eine Reaktion des Industrieroboters 1, d. h. in der Regel ein Sicherheit-Stopp ausgelöst, um eine Kollision mit dem detektierten Hindernis zu verhindern. Ein solches Hindernis kann eine Bedienperson, insbesondere ein Körperteil dieser Bedienperson oder auch ein sonstiges Objekte darstellen. Der Überwachungsraum 6 kann mit Mindestabständen zwischen den Überwachungsflächen und dem Greifer bzw. dem aufgenommenen Bauteil so konfiguriert werden, dass eine durch Verletzung des Überwachungsraumes 6 eingeleitete Reaktion des Industrieroboters 1, in der Regel ein Sicherheits-Stopp, aufgrund von Massenträgheit und Systemreaktionszeiten dennoch zu einem, jedoch abgemilderten Kontakt, bspw. mit einer Bedienperson führen kann, der dann aber aufgrund der Einhaltung biomechanischer Grenzwerte noch zulässig und vertretbar ist.
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Die Laserscanner 5.1 bis 5.4 umfassen jeweils einen Lasersender und einen Laserempfänger mit zugehöriger Optik. Mit dem Lasersender wird ein kontinuierlich die Überwachungsfläche abtastender Laserstrahl erzeugt. In einer Auswerteeinheit werden die von dem Lasersender und dem Laserempfänger erzeugten Abtastbilder ausgewertet und in Abhängigkeit der Auswerteergebnisse von einer Steuereinheit Steuersignale zur Steuerung des Industrieroboters 1 erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Industrieroboter
- 2
- Roboterbasis
- 3
- Manipulator
- 4
- Effektor
- 4.1
- Greifer
- 4.10
- Greiferfinger des Greifers 4.1
- 5
- Laserscanner
- 5.1
- erster Laserscanner
- 5.10
- Überwachungsfläche des ersten Laserscanners 5.1
- 5.2
- zweiter Laserscanner
- 5.20
- Überwachungsfläche des zweiten Laserscanners 5.2
- 5.3
- dritter Laserscanner
- 5.30
- Überwachungsfläche des dritten Laserscanners 5.3
- 5.4
- vierter Laserscanner
- 5.40
- Überwachungsfläche des vierten Laserscanners 5.4
- 6
- Überwachungsraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010046397 A1 [0004]
- DE 102012007242 A1 [0005]