DE102023109200A1

DE102023109200A1 - Robot arm with safe switchable power supply

Info

Publication number: DE102023109200A1
Application number: DE102023109200.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Bunse; Martin Konopka
Original assignee: Rethink Robotics GmbH
Current assignee: Rethink Robotics De GmbH
Priority date: 2023-04-12
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2024-10-17
Also published as: WO2024213730A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterarm mit mindestens zwei zueinander bewegbaren Armelementen, wobei zwischen zwei benachbarten Armelementen jeweils ein Armgelenk vorgesehen ist, mit mindestens einem Aktuator zur relativen Bewegung der mindestens zwei Armelemente, mit einer Hauptversorgungsleitung zur Spannungsversorgung des mindestens einen Aktuators und mit einem Drehkopf, an dem ein Roboterwerkzeug anordbar ist. Dabei sind in dem Roboterarm mindestens zwei Spannungswandler, bevorzugt zwei Netzteile mit Transformatoren für die Spannungsversorgung eines anordbaren Roboterwerkzeugs vorgesehen und jeweils mit der Hauptversorgungsleitung des Roboterarms verbunden, wobei in einem normalen Regelbetrieb des Roboterarms ein erster Spannungswandler eine erste permanent anliegende Ausgangsspannung und ein zweiter Spannungswandler eine zweite sicher steuerbare Ausgangsspannung bereitstellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Roboter mit einem solchen Roboterarm sowie ein Verfahren zur Sicherheitsabschaltung eines solchen Roboterarmes mit Roboterwerkzeug.

The present invention relates to a robot arm with at least two arm elements that can be moved relative to one another, with an arm joint being provided between each two adjacent arm elements, with at least one actuator for the relative movement of the at least two arm elements, with a main supply line for supplying voltage to the at least one actuator and with a rotary head on which a robot tool can be arranged. At least two voltage converters, preferably two power supplies with transformers for supplying voltage to an arrangeable robot tool, are provided in the robot arm and are each connected to the main supply line of the robot arm, with a first voltage converter providing a first permanently applied output voltage and a second voltage converter providing a second safely controllable output voltage in normal control operation of the robot arm. The invention also relates to a robot with such a robot arm and a method for the safety shutdown of such a robot arm with a robot tool.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboterarm mit mindestens zwei zueinander bewegbaren Armelementen, wobei zwischen zwei benachbarten Armelementen jeweils ein Armgelenk vorgesehen ist, mit mindestens einem Aktuator zur relativen Bewegung der mindestens zwei Armelemente, mit einer Hauptversorgungsleitung zur Spannungsversorgung des mindestens einen Aktuators und mit einem Drehkopf, an dem ein Roboterwerkzeug anordbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Roboter mit einem solchen Roboterarm sowie ein Verfahren zur Sicherheitsabschaltung eines solchen Roboterarmes mit Roboterwerkzeug. Als Drehkopf sind auch Anschlüsse des Roboterwerkzeugs mit einer linearen Achse oder beliebige Kinematiken mit mindestens einem Freiheitsgrad zu verstehen.The present invention relates to a robot arm with at least two arm elements that can be moved relative to one another, with an arm joint being provided between each two adjacent arm elements, with at least one actuator for the relative movement of the at least two arm elements, with a main supply line for supplying power to the at least one actuator and with a rotary head on which a robot tool can be arranged. The invention further relates to a robot with such a robot arm and a method for the safety shutdown of such a robot arm with a robot tool. Rotary heads are also understood to mean connections of the robot tool with a linear axis or any kinematics with at least one degree of freedom.

Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungs- und Handhabungsvorrichtungen, die in vielen Bereichen der Industrie und der Produktion eingesetzt werden. Die Bewegung der entsprechenden Roboterarme und Roboterwerkzeuge kann hinsichtlich der Abfolge, der Entfernung und der Bewegung frei programmiert werden, direkt gesteuert oder gegebenenfalls sensorgeführt sein. Die Roboterarme sind mit unterschiedlichen Werkzeugen wie Greifern, Schweißdüsen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und Fertigungsaufgaben entsprechend ihrer Programmierung selbständig ausführen. Durch die meist sehr schnellen und von menschlichen Eingriffen unabhängigen Bewegungen eines Roboterarmes werden Produktionsroboter regelmäßig in zugangsgeschützten sicheren Arbeitsbereichen betrieben, die nur bei einem deaktivierten Roboter zu Wartungs- und Einstellzwecken von Personen betreten werden dürfen. Bei einem unbefugten Betreten besteht höchste Verletzungsgefahr, da eine Person die programmierten oder direkt gesteuerten Bewegungsabläufe von Roboterarmen und Werkzeugen nicht vorhersehen kann, weshalb über eine sensorgeführte Sicherheitssteuerung eine unverzügliche Sicherheitsabschaltung des Roboterarms und des Roboterwerkzeugs notwendig ist.Industrial robots are universally applicable movement and handling devices that are used in many areas of industry and production. The movement of the corresponding robot arms and robot tools can be freely programmed in terms of sequence, distance and movement, directly controlled or, if necessary, sensor-guided. The robot arms can be equipped with different tools such as grippers, welding nozzles or other production equipment and can independently carry out handling and production tasks according to their programming. Due to the usually very fast movements of a robot arm, which are independent of human intervention, production robots are regularly operated in access-protected safe work areas that may only be entered by people for maintenance and adjustment purposes when the robot is deactivated. In the event of unauthorized entry, there is a high risk of injury, as a person cannot predict the programmed or directly controlled movement sequences of robot arms and tools, which is why an immediate safety shutdown of the robot arm and the robot tool is necessary via a sensor-guided safety control.

Roboterwerkzeuge für Industrieroboter können sehr unterschiedliche Aufgaben wie das Handling, das Greifen und den Transport von Teilen sowie das Trennen, Schweißen, Fügen und Entgraten von Werkstücken ausführen und entsprechend als Greifer, Schweißzange sowie Trenn- oder Schleifwerkzeuge ausgebildet sein. Sollen mehrere Vorgänge von einem einzigen Roboter oder Roboterarm ausgeführt werden, so muss dieser während des Bearbeitungsprozesses sein Werkzeug wechseln können. Hierzu kann am Drehkopf eine Wechsel- oder Verbindungseinrichtung vorgesehen sein, welche ein Aufnehmen und Ablegen von Werkzeugen ohne manuellen Eingriff einer Bedienperson ermöglicht.Robot tools for industrial robots can perform very different tasks such as handling, gripping and transporting parts as well as separating, welding, joining and deburring workpieces and can be designed as grippers, welding tongs and cutting or grinding tools. If several processes are to be carried out by a single robot or robot arm, it must be able to change its tool during the machining process. For this purpose, a changing or connecting device can be provided on the rotating head, which enables tools to be picked up and put down without manual intervention by an operator.

Die Bewegungen eines Roboterarms sind durch verschiedene Programmschritte vorgegeben, von Sensorsignalen abhängig oder werden direkt gesteuert. Fehlfunktionen können dann auftreten, wenn das Programm selbst einen Fehler enthält, die Person, die den Roboter steuert oder überwacht, einen Fehler macht, beispielsweise das Programm an einer falschen Stelle startet, oder ein externer Fehler in der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder den zugeordneten Sensoren vorliegt, bzw. das SPS-Programm und die Roboterroutinen nicht synchron laufen. Derartige Probleme erhöhen das Risiko von fehlerhaften Produktionsprozessen und Bewegungsabläufen und eines unachtsamen Eingriffs des Bedienpersonals in den Arbeitsablauf der Roboter.The movements of a robot arm are specified by various program steps, depend on sensor signals or are controlled directly. Malfunctions can occur if the program itself contains an error, the person controlling or monitoring the robot makes a mistake, for example starting the program at the wrong point, or there is an external error in the programmable logic controller (PLC) or the associated sensors, or the PLC program and the robot routines are not running synchronously. Such problems increase the risk of faulty production processes and movement sequences and of careless intervention by operating personnel in the robot's workflow.

Die Sicherheit des Bedienpersonals hat bei der Nutzung von Industrierobotern höchste Priorität und beeinflusst nicht nur die Ausgestaltung des Roboterarmes, sondern auch das Design eines umgebenden Sicherheitsbereichs und die Ausführung der Sicherheitstechnik.The safety of the operating personnel is the highest priority when using industrial robots and influences not only the design of the robot arm, but also the design of a surrounding safety area and the implementation of the safety technology.

Für eine umfassende Sicherheit von Bedienpersonal, Robotern und Roboterwerkzeugen gibt es im Stand der Technik sehr unterschiedliche Lösungen mit unterschiedlichen Sicherheitsstufen. Dabei erfordert das Vorsehen von Sicherheitstechniken in Abhängigkeit der gewünschten Sicherheitsstufe teils deutliche Mehrkosten und einen erhöhten Platzbedarf für den Roboter. Im Stand der Technik sind eine ganze Reihe von Lösungen bekannt, die bei relativ geringen Kosten und einem relativ geringen Platzbedarf eine gute Sicherheit für das Bedienpersonal, den Roboter und die Roboterwerkzeuge ermöglichen. Im Hinblick auf die fortschreitende technische Entwicklung im Bereich der industriellen Automatisierung und der Robotertechnik besteht jedoch unverändert ein Bedarf an intelligenten, integrierten Sicherheitslösungen, die eine umfassende Sicherheit für das Bedienpersonal ermöglichen und gleichzeitig den Aufwand und den Platzbedarf für die Sicherheitstechnik auf ein Mindestmaß begrenzen.There are very different solutions with different safety levels in the state of the art for comprehensive safety of operating personnel, robots and robot tools. Depending on the desired safety level, the provision of safety technology sometimes requires significant additional costs and increased space requirements for the robot. A whole range of solutions are known in the state of the art that enable good safety for the operating personnel, the robot and the robot tools at relatively low costs and with relatively little space requirements. In view of the advancing technical development in the field of industrial automation and robot technology, however, there is still a need for intelligent, integrated safety solutions that enable comprehensive safety for the operating personnel and at the same time keep the effort and space requirements for the safety technology to a minimum.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eingangs genannten Roboterarm bereitzustellen, der einen sicheren Betrieb des Roboterarmes bei einer kostengünstigen und platzsparenden Sicherheitstechnik ermöglicht.It is therefore the object of the present invention to provide a robot arm as mentioned above, which enables safe operation of the robot arm with a cost-effective and space-saving safety technology.

Diese Aufgabe wird mit einem gattungsgemäßen Roboterarm erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Roboterarm mindestens zwei Spannungswandler, bevorzugt mindestens zwei Netzteile mit Transformatoren, für die Spannungsversorgung eines am Roboterarm anordbaren Roboterwerkzeugs vorgesehen sind, wobei die zwei Spannungswandler oder Netzteile direkt mit der Hauptversorgungsleitung des Roboterarms verbunden sind, und wobei in einem normalen Regelbetrieb des Roboterarms ein erster Spannungswandler eine erste permanent anliegende Ausgangsspannung und ein zweiter Spannungswandler eine zweite sicher steuerbare Ausgangsspannung bereitstellt. Dies ermöglicht beim Betrieb des Roboterarmes eine sichere Stromversorgung des Roboterwerkzeugs über die im Roboterarm angeordneten Spannungswandler oder Netzteile sowohl während der automatisierten Fertigung als auch bei einer Sicherheitsabschaltung. Durch die gemeinsame Spannungsversorgung der mindestens zwei Spannungswandler oder Netzteile über die Hauptversorgungsleitung des Roboterarmes, die bereits zur Spannungsversorgung der wesentlichen elektrischen Komponenten des Roboterarmes dort vorgesehen ist, kann auf zusätzliche Versorgungsleitungen zum Antrieb des Roboterwerkzeugs verzichtet werden. Dies ist insbesondere für bauraumoptimierte Roboterarme und Industrieroboter wichtig, da innerhalb des Roboterarms üblicherweise kein Platz für zusätzliche Kabel vorhanden ist und entsprechende Versorgungsleitungen zur Spannungsversorgung des Roboterwerkzeugs außen am Roboterarm entlanggeführt werden müssten. Zusätzliche Kabel führen sowohl bei der Montage des Roboterarms als auch bei einer Wartung zu der Gefahr einer ungeordneten Führung der Kabel im Roboterarm und einer Verwechselung bei der Verbindung zu den einzelnen Komponenten. Weiterhin erhöht die Anzahl der Kabel auch das Risiko das sich die Isolierung der Kabel an engen Durchführungen durchscheuert, wodurch entsprechend ein Kurzschluss entsteht und der Roboterarm ausfällt.This object is achieved with a generic robot arm according to the invention in that at least two voltage converters, preferably at least two power supplies with transformers, for the voltage supply of a robot tool that can be arranged on the robot arm, wherein the two voltage converters or power supplies are connected directly to the main supply line of the robot arm, and wherein in normal control operation of the robot arm a first voltage converter provides a first permanently applied output voltage and a second voltage converter provides a second safely controllable output voltage. When the robot arm is in operation, this enables a safe power supply of the robot tool via the voltage converters or power supplies arranged in the robot arm, both during automated production and in the event of a safety shutdown. By supplying the at least two voltage converters or power supplies together via the main supply line of the robot arm, which is already provided there to supply power to the essential electrical components of the robot arm, additional supply lines for driving the robot tool can be dispensed with. This is particularly important for space-optimized robot arms and industrial robots, since there is usually no space for additional cables inside the robot arm and corresponding supply lines for supplying power to the robot tool would have to be routed along the outside of the robot arm. Additional cables lead to the risk of disorganized routing of the cables in the robot arm and confusion when connecting to the individual components, both during assembly of the robot arm and during maintenance. Furthermore, the number of cables also increases the risk of the cable insulation being worn through in narrow passages, which in turn causes a short circuit and the robot arm to fail.

Die in diesem Roboterarm bei einem normalen Regelbetrieb bereitgestellten unterschiedlich steuerbaren Ausgangsspannungen, d.h. die von einem ersten Spannungswandler bereitgestellte permanent anliegende, nicht steuerbare Ausgangsspannung und die von einem zweiten Spannungswandler bereitgestellte zweite sicher steuerbare und sicher abschaltbare Ausgangsspannung, können für unterschiedliche Funktionen des Roboterwerkzeugs eingesetzt werden und ermöglichen eine Anpassung einer zugehörigen Sicherheitssteuerung an die verschiedenen Funktionen des Werkzeugs und an die von dem Werkzeug ausgehende Gefährdung. Jenseits des normalen Regelbetriebs, beispielsweise im Kurzschlussfall, können die Spannungswandler und/oder die in der Hauptversorgungsleitung anliegende Eingangsspannung von der Sicherheitssteuerung abgeschaltet werden.The different controllable output voltages provided in this robot arm during normal control operation, i.e. the permanently applied, non-controllable output voltage provided by a first voltage converter and the second safely controllable and safely switchable output voltage provided by a second voltage converter, can be used for different functions of the robot tool and enable an associated safety control to be adapted to the various functions of the tool and to the hazard posed by the tool. Beyond normal control operation, for example in the event of a short circuit, the voltage converters and/or the input voltage in the main supply line can be switched off by the safety control.

Weiterhin ermöglicht das bevorzugte Vorsehen der mindestens zwei Spannungswandler oder Transformator-Netzteile im Drehkopf oder in dem Verbindungsflansch und deren Versorgung über die Hauptversorgungsleitung den Verzicht auf lange und damit störanfällige Einzelleitungen für eine duale Spannungsversorgung des Roboterwerkzeugs. Dabei wird lediglich über die Hauptversorgungsleitung eine höhere für das Bedienpersonal möglicherweise gefährliche Spannung in dem Roboterarm geführt, während für die Ansteuerung und den Betrieb des Roboterwerkzeugs lediglich geeignete Steuerleitungen benötigt werden. Alternativ können die zwei Spannungswandler oder Transformator-Netzteile auch in einem Verbindungsadapter, beispielsweise ein manueller, halbautomatischer oder automatischer Werkzeugwechsler (Click-Smart Platte), oder in dem Roboterwerkzeug oder an einem anderen geeigneten Platz im Roboterarm angeordnet sein. Bei beengten Platzverhältnissen können die zwei Spannungswandler auch an verschiedenen Orten im Bereich des Drehkopfes positioniert sein. Die zwei Spannungswandler, bevorzugt zwei Transformator-Netzteile, ermöglichen eine galvanische Trennung zwischen der Hauptversorgungsleitung und dem Roboterarm bzw. dem Roboterwerkzeug, so dass auch bei einer Fehlfunktion oder einem Kurzschluss auf der für das Bedienpersonal zugänglichen Außenseite des Roboterarms und des Roboterwerkzeugs keine potentiell gefährliche Spannung anliegen kann.Furthermore, the preferred provision of at least two voltage converters or transformer power supplies in the rotary head or in the connecting flange and their supply via the main supply line makes it possible to dispense with long and therefore fault-prone individual cables for a dual voltage supply of the robot tool. A higher voltage, which may be dangerous for the operating personnel, is only carried in the robot arm via the main supply line, while only suitable control cables are required for the control and operation of the robot tool. Alternatively, the two voltage converters or transformer power supplies can also be arranged in a connection adapter, for example a manual, semi-automatic or automatic tool changer (Click-Smart plate), or in the robot tool or in another suitable place in the robot arm. If space is limited, the two voltage converters can also be positioned at different locations in the area of the rotary head. The two voltage converters, preferably two transformer power supplies, enable galvanic isolation between the main supply line and the robot arm or robot tool, so that even in the event of a malfunction or short circuit, no potentially dangerous voltage can be present on the outside of the robot arm and robot tool accessible to operating personnel.

Eine zweckmäßige Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens zwei Spannungswandler eine in der Hauptversorgungsleitung anliegende Eingangsspannung jeweils in eine niedrigere, gleiche oder höhere Ausgangsspannung transformieren, die gegebenenfalls von der anliegenden Eingangsspannung galvanisch getrennt ist, wobei die Ausgangsspannungen zueinander unterschiedlich oder in etwa gleich groß sein können. Beispielsweise kann eine Eingangsspannung von etwa 48 V DC jeweils in eine Ausgangsspannung von etwa 24 V DC transformiert werden. Alternativ können die zwei Spannungswandler die Eingangsspannung auch in zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen transformieren, beispielsweise von etwa 24 V DC auf 5 V DC reduzieren oder von etwa 24 V DC auf 48 V DC hochtransformieren. Diese Ausführung ermöglicht eine angepasste Spannungsversorgung sowohl der Eingangsspannung an die typische Versorgungsspannung der von der Hauptversorgungsleitung versorgten elektrischen Komponenten, beispielsweise der Aktuatoren der Armgelenke, der Roboter- und Sicherheitssteuerung, oder der Lüfter der Reibbremse, sowie die geeignete Transformation in die Ausgangsspannungen zum Betrieb des Roboterwerkzeugs. Weiterhin wird durch die Verbindung der zwei Netzteile mit der Hauptversorgungsleitung und der anliegenden Eingangsspannung der Aufwand für andere vorgeschriebene Sicherheitstechniken vermieden, die bei der Verwendung von separaten Versorgungsleitungen auftreten würden. Bei der industriellen Produktion müssen die an Produktionsanlagen berührbaren Spannungen unterhalb von bestimmten Grenzwerten liegen, üblicherweise 60 V DC. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Leitungskabeln für die Versorgung der Aktuatoren und der zwei Netzteile können im Falle eines Kurzschlusses oder durch eine Falschverdrahtung bei der Konfektionierung oder Montage des Roboterarms am Drehkopf Spannungen oberhalb von 60 V auftreten und im Zweifelsfall auch übertragen werden, was den Einsatz zusätzlicher Sicherheitsmaßnahmen erfordert. Geeignete Sicherheitsmaßnahmen, die daher bei der Verwendung von separaten Kabeln zur Spannungsversorgung der zwei Netzteile notwendig wären, beispielsweise die doppelte Isolierung und Erdung der Versorgungskabel und der Anschlüsse, sind kostenintensiv und aufwendig in der Produktion und erfordem darüber hinaus zusätzlichen Bauraum für dickere Versorgungskabel im oder am Roboterarm.An expedient embodiment provides that the at least two voltage converters each transform an input voltage present in the main supply line into a lower, equal or higher output voltage, which may be galvanically isolated from the input voltage present, whereby the output voltages may be different from one another or approximately the same. For example, an input voltage of approximately 48 V DC can each be transformed into an output voltage of approximately 24 V DC. Alternatively, the two voltage converters can also transform the input voltage into two different output voltages, for example reducing it from approximately 24 V DC to 5 V DC or increasing it from approximately 24 V DC to 48 V DC. This design enables an adapted voltage supply both of the input voltage to the typical supply voltage of the electrical components supplied by the main supply line, for example the actuators of the arm joints, the robot and safety controller, or the fan of the friction brake, as well as the suitable transformation into the output voltages for operating the robot tool. Furthermore, by connecting the two power supplies to the main supply line and the input voltage, the effort required for other mandatory safety techniques is avoided, which are necessary when using separate supply lines. In industrial production, the voltages that can be touched on production systems must be below certain limits, usually 60 V DC. When using different cables to supply the actuators and the two power supplies, voltages above 60 V can occur and, in case of doubt, be transmitted in the event of a short circuit or due to incorrect wiring when assembling or mounting the robot arm on the rotating head, which requires the use of additional safety measures. Suitable safety measures that would therefore be necessary when using separate cables to supply the two power supplies, for example double insulation and earthing of the supply cables and connections, are costly and complex to produce and also require additional space for thicker supply cables in or on the robot arm.

In einer praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Roboterarmes ist eine Sicherheitssteuerung für den Roboterarm vorgesehen, bevorzugt eine Roboterarmsteuerung mit einer integrierten Sicherheitssteuerung, wobei der zweite Spannungswandler, bevorzugt das zweite Netzteil über eine sichere Steuersignalverbindung, insbesondere eine sichere zweikanalige Steuersignalverbindung, mit der Sicherheitssteuerung verbunden ist. Dabei kann die Steuersignalverbindung zwischen der Sicherheitssteuerung und dem zweiten Netzteil als eine 2-kanalige Steuerleitung ausgestaltet sein, um bei einer Anforderung durch die Sicherheitssteuerung des zweiten Netzteils verlässlich und sicher abzuschalten. Im Falle eines von der Sicherheitssteuerung erkannten Fehlers oder Kurzschlusses wird neben der Ansteuerung des zweiten Spannungswandlers, bzw. dem zweiten Netzteil, bei einer entsprechenden Anwendung, bzw. einem entsprechenden Roboterwerkzeug auch der erste Spannungswandler, bzw. das erste Netzteil von der Sicherheitssteuerung angesteuert, bzw. abgeschaltet. Bei einer generellen Störung der Roboterarmsteuerung steuert die integrierte Sicherheitssteuerung die Aktuatoren der einzelnen Armgelenke selbständig an und hält den Roboterarm sicher an. Dabei weist jedes Armgelenk bzw. die zugehörigen Aktuatoren vorzugsweise eine dedizierte Sicherheitssteuerung auf, die bei einer generellen Störung von der integrierten Sicherheitssteuerung der Roboterarmsteuerung abgerufen wird. Die Sicherheitssteuerung besteht üblicherweise aus mehreren Komponenten die sich im Roboterarm selbst, in der Roboterarmbasis, der zugehörigen Peripherie oder einer zentralen Steuereinrichtung angeordnet sein können.In a practical embodiment of the robot arm according to the invention, a safety controller is provided for the robot arm, preferably a robot arm controller with an integrated safety controller, wherein the second voltage converter, preferably the second power supply, is connected to the safety controller via a secure control signal connection, in particular a secure two-channel control signal connection. The control signal connection between the safety controller and the second power supply can be designed as a 2-channel control line in order to reliably and safely switch off the second power supply when requested by the safety controller. In the event of an error or short circuit detected by the safety controller, in addition to controlling the second voltage converter or the second power supply, the first voltage converter or the first power supply is also controlled or switched off by the safety controller in the case of a corresponding application or a corresponding robot tool. In the event of a general malfunction of the robot arm controller, the integrated safety controller independently controls the actuators of the individual arm joints and safely stops the robot arm. Each arm joint or the associated actuators preferably have a dedicated safety controller, which is called up by the integrated safety controller of the robot arm controller in the event of a general fault. The safety controller usually consists of several components that can be arranged in the robot arm itself, in the robot arm base, the associated peripherals or in a central control device.

Eine besondere Variante sieht vor, dass die Daten der sicheren zweikanaligen Steuersignalverbindung mittels einer Ethernetverbindung bereitgestellt werden. Eine Ethernetverbindung ermöglicht nicht nur die einfache Verbindung und das Bereitstellen von sicheren Steuersignalen, sondern erlaubt auch eine Vernetzung mit den Daten der Roboterarmsteuerung, bevorzugt mit einem EtherCat-Protokoll oder einem FsoE-Protokoll, und eine physische Verbindung mittels einer RS-485 Schnittstelle für eine asynchrone serielle Datenübertragung. Außerdem ist eine solche Ethernetverbindung ein einfaches und kostengünstiges Konzept, bei dem in einem erfindungsgemäßen Roboterarm vorhandene Kabelverbindungen genutzt werden können.A special variant provides that the data of the secure two-channel control signal connection is provided by means of an Ethernet connection. An Ethernet connection not only enables the simple connection and provision of secure control signals, but also allows networking with the data of the robot arm control, preferably with an EtherCat protocol or an FsoE protocol, and a physical connection by means of an RS-485 interface for asynchronous serial data transmission. In addition, such an Ethernet connection is a simple and cost-effective concept in which existing cable connections in a robot arm according to the invention can be used.

Eine günstige Modifikation sieht vor, dass ein Sicherheitsschaltgerät zur Überwachung der zweiten schaltbaren Ausgangsspannung vorgesehen ist. Eine solche Überwachungseinheit ermöglicht eine sichere und konstante Überwachung der zweiten schaltbaren Ausgangsspannung durch die Sicherheitssteuerung sowie eine unverzügliche Reaktion bei fehlerhaften Spannungen falls beispielsweise ein Transformator defekt ist. Das Sicherheitsschaltgerät zur Überwachung der zweiten sicher schaltbaren Ausgangsspannung kann sowohl im Anschluss an den zweiten Spannungswandler, bzw. das zweite Netzteil aber auch nach einem Stromteiler und dem zugehörigen Abschaltelement.A favorable modification provides for a safety switching device to monitor the second switchable output voltage. Such a monitoring unit enables safe and constant monitoring of the second switchable output voltage by the safety control system and an immediate reaction to faulty voltages if, for example, a transformer is defective. The safety switching device for monitoring the second safely switchable output voltage can be connected to the second voltage converter or the second power supply unit, but also to a current divider and the associated shutdown element.

Eine weitere Ausbildung sieht vor, dass der Drehkopf einen Verbindungsflansch für die Verbindung mit dem Roboterwerkzeug aufweist, bevorzugt einen Verbindungsflansch mit einem Verbindungsadapter (manueller, halbautomatischer oder vollautomatischer Werkzeugwechsler), wobei die erste permanent anliegende Ausgangsspannung und die zweite sicher steuerbare Ausgangsspannung am Verbindungsflansch oder bevorzugt am Verbindungsadapter anliegen. Dies ermöglicht eine schnelle Montage und Demontage des Roboterwerkzeugs am Drehkopf des Roboterarmes, wobei die Verwendung eines Verbindungsadapters einen Werkzeugwechsel ohne einen aktiven Eingriff des Bedienpersonals am Roboterarm ermöglicht.A further embodiment provides that the rotary head has a connecting flange for connection to the robot tool, preferably a connecting flange with a connecting adapter (manual, semi-automatic or fully automatic tool changer), wherein the first permanently applied output voltage and the second safely controllable output voltage are applied to the connecting flange or preferably to the connecting adapter. This enables rapid assembly and disassembly of the robot tool on the rotary head of the robot arm, wherein the use of a connecting adapter enables a tool change without active intervention by the operating personnel on the robot arm.

Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die zueinander bewegbaren Armelemente drehbar zueinander und die Armgelenke als Drehgelenke ausgebildet sind, wobei der mindestens eine Aktuator die mittels eines Drehgelenks miteinander verbundenen Armelemente relativ zueinander bewegt. Hierbei können die Drehachsen der Drehgelenke bei im Wesentlichen runden Armelementen koaxial zu den Mittellinien der benachbarten Armelemente verlaufen. Die ausschließlich drehbare Verbindung der beweglichen Armelemente des Roboterarms reduziert die von dem Roboterarm ausgehende Art der Verletzung auf im Wesentlichen stumpfe Verletzungen. Das Auftreten schwerer Verletzungsarten wie Quetschungen, Schnittverletzungen und Abtrennung von Gliedmaßen kann durch die Vermeidung von Kipp- oder Schwenkgelenken reduziert werden.An advantageous embodiment provides that the arm elements that can be moved relative to one another are rotatable relative to one another and the arm joints are designed as rotary joints, with the at least one actuator moving the arm elements connected to one another by means of a rotary joint relative to one another. In this case, the axes of rotation of the rotary joints can run coaxially to the center lines of the adjacent arm elements in the case of essentially round arm elements. The exclusively rotatable connection of the movable arm elements of the robot arm reduces the type of injury emanating from the robot arm to essentially blunt injuries. The occurrence of serious types of injury such as bruises, cuts, etc. The risk of fractures and severance of limbs can be reduced by avoiding tilting or swivel joints.

In einer alternativen Variante der vorliegenden Erfindung ist ein gattungsgemäßer Roboterarm mit mindestens zwei zueinander bewegbaren Armelementen und mit mindestens einem Drehkopf an dem ein Roboterwerkzeug anordbar ist, wobei in dem Roboterarm ein Stromteiler für die selektive Spannungsversorgung eines am Roboterarm anordbaren Roboterwerkzeugs mit einer ersten permanent anliegenden Ausgangsspannung und einer zweiten sicher steuerbaren Ausgangsspannung vorgesehen ist, und wobei der Stromteiler direkt mit der Hauptversorgungsleitung des Roboterarms verbunden ist und mindestens ein oder zwei Abschaltelemente für eine Bereitstellung der zweiten sicher steuerbaren Ausgangsspannung vorgesehen sind. Diese alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Roboterarms ermöglicht eine einfache Stromversorgung des Roboterwerkzeugs über den im Roboterarm angeordneten Stromteiler sowohl im normalen Regelbetrieb des Roboterarmes, beispielsweise während der automatisierten Fertigung, als auch bei einer Sicherheitsabschaltung. Durch die Spannungsversorgung des Stromteilers über die Hauptversorgungsleitung des Roboterarmes, die bereits zur Spannungsversorgung der wesentlichen elektrischen Komponenten des Roboterarmes dort vorgesehen ist, kann auch hier auf zusätzliche Versorgungsleitungen zum Antrieb des Roboterwerkzeugs verzichtet werden. Bevorzugt kann auch hier eine Sicherheitssteuerung für den Roboterarm vorgesehen sein, insbesondere eine Roboterarmsteuerung mit einer integrierten Sicherheitssteuerung, wobei das mindestens eine, bevorzugt ein zweikanaliges Abschaltelement über eine Steuersignalverbindung mit der Sicherheitssteuerung verbunden sind, um bei einer entsprechenden Anforderung durch die Sicherheitssteuerung die Spannungsversorgung des am Roboterarm anordbaren Roboterwerkzeugs verlässlich abzuschalten.In an alternative variant of the present invention, a generic robot arm with at least two arm elements that can be moved relative to one another and with at least one rotary head on which a robot tool can be arranged, wherein a current divider is provided in the robot arm for the selective voltage supply of a robot tool that can be arranged on the robot arm with a first permanently applied output voltage and a second safely controllable output voltage, and wherein the current divider is directly connected to the main supply line of the robot arm and at least one or two shutdown elements are provided for providing the second safely controllable output voltage. This alternative embodiment of a robot arm according to the invention enables a simple power supply of the robot tool via the current divider arranged in the robot arm both in normal control operation of the robot arm, for example during automated production, and in the event of a safety shutdown. By supplying the voltage to the current divider via the main supply line of the robot arm, which is already provided there for supplying the voltage to the essential electrical components of the robot arm, additional supply lines for driving the robot tool can also be dispensed with here. Preferably, a safety controller for the robot arm can also be provided here, in particular a robot arm controller with an integrated safety controller, wherein the at least one, preferably a two-channel shutdown element is connected to the safety controller via a control signal connection in order to reliably switch off the power supply of the robot tool that can be arranged on the robot arm when a corresponding request is made by the safety controller.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Roboter mit einer Roboterarmbasis, mit einem der oben beschriebenen Roboterarme und mit mindestens einem Roboterwerkzeug. Ein solcher Roboter ermöglicht neben einem sicheren Betrieb des Roboterarms in einer festgelegten Sicherheitszone mit einer Überwachung der Bewegungs- und Betriebsfunktion des Roboters gleichzeitig auch eine sichere Abschaltung des Roboterarmes und des mit dem distalen Drehkopf verbundenen Roboterwerkzeugs bei einem Auslösen der Sicherheitssteuerung. Günstigerweise kann der Roboter mit einem normgerechten Kabel für den maximal im Roboterarm fließenden Strom geerdet sein, sodass auch im Falle eines Kurzschlusses oder eines elektrischen Defekts keine Spannung über den Roboterarm nach außen abgegeben wird und somit auch keine Bedienperson verletzt werden kann.The invention further relates to a robot with a robot arm base, with one of the robot arms described above and with at least one robot tool. Such a robot enables safe operation of the robot arm in a defined safety zone with monitoring of the movement and operating function of the robot, and at the same time also safe shutdown of the robot arm and the robot tool connected to the distal rotary head when the safety control is triggered. The robot can advantageously be grounded with a standard cable for the maximum current flowing in the robot arm, so that even in the event of a short circuit or an electrical defect, no voltage is released to the outside via the robot arm and thus no operator can be injured.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Sicherheitsabschaltung eines Roboterarmes mit Roboterwerkzeug, wobei in dem Drehkopf des Roboterarmes zwei steuerbare Netzteile, bevorzugt mit Transformatoren, für die Spannungsversorgung des am Drehkopf angeordneten Roboterwerkzeugs vorgesehen sind, und wobei die zwei steuerbaren Netzteile mit der Hauptversorgungsleitung des Roboterarmes verbunden sind, ein erstes Transformator-Netzteil das Roboterwerkzeug mit einer ersten permanent anliegenden Ausgangsspannung versorgt und ein zweites über eine sichere Steuersignalverbindung insbesondere eine sichere zweikanalige Steuersignalverbindung, mit einer Sicherheitssteuerung verbundenes Transformator-Netzteil das Roboterwerkzeug mit einer zweiten sicher steuerbaren Ausgangsspannung versorgt, wobei die Ausgangsspannung des zweiten Netzteils bei einer Sicherheitsabschaltung unterbrochen wird. Als Roboterwerkzeug werden allgemein alle betätig- oder aktivierbaren Bauteile angesehen die an einen Roboterarm angeordnet werden können, beispielsweise Bearbeitungswerkzeuge, Greif- und Positioniereinheiten, aber auch Injektoren oder Leuchtmittel an Verlängerungsstäben usw. Dieses Verfahren ermöglicht den geforderten Schutz des Bedienpersonals bei einer Unterbrechung der Fertigung oder bei einer Sicherheitsabschaltung ohne kostenintensive Konzepte oder Konstruktionen zu benötigen oder den notwendigen Bauraum zu vergrößern. Im normalen Betrieb ist die sichere Ausgangsspannung des zweiten Netzteils angeschaltet, kann aber durch die Sicherheitssteuerung kurzzeitig und sicher abgeschaltet werden, wenn dies erforderlich ist.The invention further relates to a method for the safety shutdown of a robot arm with a robot tool, wherein two controllable power supplies, preferably with transformers, are provided in the rotating head of the robot arm for supplying voltage to the robot tool arranged on the rotating head, and wherein the two controllable power supplies are connected to the main supply line of the robot arm, a first transformer power supply supplies the robot tool with a first permanently applied output voltage and a second transformer power supply connected to a safety controller via a safe control signal connection, in particular a safe two-channel control signal connection, supplies the robot tool with a second safely controllable output voltage, wherein the output voltage of the second power supply is interrupted in the event of a safety shutdown. In general, robot tools are considered to be all operable or activatable components that can be arranged on a robot arm, for example processing tools, gripping and positioning units, but also injectors or lamps on extension rods, etc. This method enables the required protection of operating personnel in the event of an interruption in production or a safety shutdown without requiring costly concepts or designs or increasing the necessary installation space. In normal operation, the safe output voltage of the second power supply is switched on, but can be switched off briefly and safely by the safety controller if this is necessary.

In Abhängigkeit der Funktion des Roboterwerkzeugs kann dieses entweder über das erste Netzteil an eine erste permanent anliegende Ausgangsspannung oder über das zweite Netzteil an einer zweiten sicher steuerbaren Ausgangsspannung angeschlossen sein. Bei einem sich bewegenden Roboterwerkzeug, beispielsweise einer Säge, ist die Versorgung mit einer zweiten sicher steuerbaren Ausgangsspannung voraussichtlich notwendig. Bei einem Auslösen der Sicherheitssteuerung, beispielsweise beim Öffnen einer Sicherheitstür durch das Bedienpersonal leitet die Sicherheitssteuerung eine automatische Sicherheitsabschaltung des Roboterarmes und des Roboterwerkzeugs ein, wodurch die Ausgangsspannung des zweiten Netzteils von der Sicherheitsschaltung unterbrochen wird und in der Folge die als Roboterwerkzeug verwendete Säge dann ebenfalls sicher abgeschaltet wird. Wäre in diesem Fall die Säge mit dem ersten Netzteil verbunden, dann würde die Säge trotz der ausgelösten Sicherheitsabschaltung weiterlaufen und das Bedienpersonal gefährden. Wird im Gegensatz hierzu als Roboterwerkzeug ein Greifer verwendet, so sollte dieser bei einer Sicherheitsabschaltung den gehaltenen Gegenstand nicht loslassen. Entsprechend erfordert ein solches Roboterwerkzeug die Versorgung mit einer permanent anliegenden Ausgangsspannung über das erste Transformator-Netzteil, um bei einer Sicherheitsabschaltung Material- und Sachschäden zu vermeiden. Auch bei einer Fehlfunktion des Roboters versorgt das vorzugsweise erste Netzteil im Drehkopf am distalen Ende des Roboterarms das Roboterwerkzeug mit einer ersten permanent anliegenden Ausgangsspannung, während das zweite Netzteil abgeschaltet und die Ausgangsspannung zum Roboterwerkzeug unterbrochen wird.Depending on the function of the robot tool, it can be connected either to a first permanently applied output voltage via the first power supply or to a second safely controllable output voltage via the second power supply. In the case of a moving robot tool, for example a saw, the supply of a second safely controllable output voltage is probably necessary. If the safety control is triggered, for example when a safety door is opened by the operating personnel, the safety control initiates an automatic safety shutdown of the robot arm and the robot tool, whereby the output voltage of the second power supply is interrupted by the safety circuit and as a result the saw used as a robot tool is then also safely switched off. If the saw were connected to the first power supply in this case, the saw would continue to run despite the safety shutdown being triggered and endanger the operating personnel. In contrast, If a gripper is used as a robot tool, it should not let go of the object it is holding in the event of a safety shutdown. Accordingly, such a robot tool requires a supply of a permanently applied output voltage via the first transformer power supply in order to avoid material and property damage in the event of a safety shutdown. Even in the event of a robot malfunction, the preferably first power supply in the rotating head at the distal end of the robot arm supplies the robot tool with a first permanently applied output voltage, while the second power supply is switched off and the output voltage to the robot tool is interrupted.

Im Folgenden wird ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand von beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Roboterarmes,
2 eine Detailansicht des Drehkopfs des erfindungsgemäßen Roboterarmes aus 1 mit daran gekoppeltem Roboterwerkzeug,
3 eine Detailansicht eines weiteren Drehkopfs des erfindungsgemäßen Roboterarmes aus 1 mit daran gekoppeltem Roboterwerkzeug und
4 eine Detailansicht des Drehkopfs einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Roboterarmes gemäß 1 mit einem daran gekoppelten Roboterwerkzeug.

In the following, a non-limiting embodiment of the present invention is explained in more detail with reference to exemplary drawings. In the drawings:

1 a perspective view of a robot arm according to the invention,
2 a detailed view of the rotating head of the robot arm according to the invention 1 with a robot tool coupled to it,
3 a detailed view of another rotary head of the robot arm according to the invention 1 with coupled robot tool and
4 a detailed view of the rotary head of another embodiment of the robot arm according to the invention according to 1 with a robot tool coupled to it.

Die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Roboterarmes 1 in 1 zeigt eine Vielzahl von Armelementen 2, die jeweils über ein Armgelenk 3 miteinander bzw. mit dem Basisglied 4 oder dem Drehkopf 6 verbunden sind. Ausgehend von dem Basisglied 4, das mit einer entsprechenden Roboterarmbasis (nicht gezeigt) eines Handhabungs- oder Fertigungsroboters verbunden ist, erstreckt sich der Roboterarm 1 über ein oder mehrere Armgelenke 3 und die damit verbundenen Armelemente 2 bis zum Drehkopf 6, an dem ein Roboterwerkzeug 7, in diesem Fall ein Greifwerkzeug, angebracht ist. Der an einem distalen Ende des Roboterarms 1 angeordnete Drehkopf 6 wird auch als Cuff bezeichnet. Die vorzugsweise als einfache Drehgelenke ausgebildeten Armgelenke 3 des Roboterarms 1 umfassen jeweils zwei aneinander angrenzende Knieelemente 5, die drehbar miteinander verbunden sind oder drehbar gegenüber den angrenzenden Elementen des Roboterarms 1, d. h. dem Basisglied 4 oder dem Drehkopf 6, verbunden sind. Alternativ können das Basisglied 4, die Armelemente 2 und der distale Drehkopf 6 mittels anderer Gelenke, beispielsweise mittels Kugel-, Kipp- oder Schwenkgelenke, oder mittels linearer Achsen oder anderer denkbarer Kinematiken, miteinander verbunden sein. Am offenen Ende des Basisglieds 4 ist die Hauptversorgungsleitung 8 zu erkennen, die sich zur Spannungsversorgung aller elektrischen Aktuatoren und ggf. auch pneumatischen und hydraulischen Aktuatoren sowie weiteren Komponenten des Roboterarms, insbesondere der Motoren und der Reibbremse der Armgelenke 3 sowie der Steuerschaltungen, durch den Roboterarm 1 hindurch bis zum Drehkopf 6 erstreckt.The perspective view of a robot arm 1 according to the invention in 1 shows a plurality of arm elements 2, each of which is connected to one another or to the base member 4 or the rotary head 6 via an arm joint 3. Starting from the base member 4, which is connected to a corresponding robot arm base (not shown) of a handling or manufacturing robot, the robot arm 1 extends over one or more arm joints 3 and the arm elements 2 connected thereto to the rotary head 6, to which a robot tool 7, in this case a gripping tool, is attached. The rotary head 6 arranged at a distal end of the robot arm 1 is also referred to as a cuff. The arm joints 3 of the robot arm 1, which are preferably designed as simple rotary joints, each comprise two adjacent knee elements 5, which are rotatably connected to one another or are rotatably connected relative to the adjacent elements of the robot arm 1, ie the base member 4 or the rotary head 6. Alternatively, the base member 4, the arm elements 2 and the distal rotary head 6 can be connected to one another by means of other joints, for example by means of ball, tilt or swivel joints, or by means of linear axes or other conceivable kinematics. The main supply line 8 can be seen at the open end of the base member 4, which extends through the robot arm 1 to the rotary head 6 to supply voltage to all electrical actuators and possibly also pneumatic and hydraulic actuators as well as other components of the robot arm, in particular the motors and the friction brake of the arm joints 3 and the control circuits.

2 zeigt eine Detailansicht des Drehkopfs 6 mit dem daran angeschlossenen Roboterwerkzeugs 7, wobei das Roboterwerkzeug 7 im Bereich der Kopplungsebene k mit dem Drehkopf 6 des Roboterarms 1 verbunden ist. Bevorzugt erfolgt diese Kopplung des Roboterwerkzeugs 7 mithilfe einer am Roboterarm 1 bzw. an dem Drehkopf 6 vorgesehenen Verbindungsaufnahme bzw. eines Verbindungsflansches 9 und einem am Roboterwerkzeug 7 vorgesehenen Kopplungsstück 10. Der Verbindungsflansch 9 und das Kopplungsstück 10 können in Form eines Verbindungsadapters ausgebildet sein, beispielsweise als ein manueller, halbautomatischer oder vollautomatischer Werkzeugwechsler. Über den Verbindungsflansch 9 werden in der Kopplungsebene k selektiv die notwendige Spannungsversorgung und Steuerungssignale an das jeweilige Kopplungsstück 10 und das damit verbundene Roboterwerkzeug 7 übertragen. Derartige Verbindungsadapter mit einem Verbindungsflansch 9 am Drehkopf 6 und einem passenden Kopplungsstück 10 am Roboterwerkzeug 7 ermöglichen nicht nur die selektive und automatisierte Kopplung verschiedener Roboterwerkzeuge 7 mit dem Roboterarm 1, sondern gleichzeitig auch eine selektive Spannungsversorgung und Ansteuerung der Roboterwerkzeuge 7. 2 shows a detailed view of the rotary head 6 with the robot tool 7 connected to it, the robot tool 7 being connected to the rotary head 6 of the robot arm 1 in the area of the coupling plane k. This coupling of the robot tool 7 is preferably carried out using a connection receptacle or a connection flange 9 provided on the robot arm 1 or on the rotary head 6 and a coupling piece 10 provided on the robot tool 7. The connection flange 9 and the coupling piece 10 can be designed in the form of a connection adapter, for example as a manual, semi-automatic or fully automatic tool changer. The necessary voltage supply and control signals are selectively transmitted to the respective coupling piece 10 and the robot tool 7 connected to it via the connection flange 9 in the coupling plane k. Such connection adapters with a connection flange 9 on the rotary head 6 and a suitable coupling piece 10 on the robot tool 7 not only enable the selective and automated coupling of various robot tools 7 with the robot arm 1, but also a selective power supply and control of the robot tools 7.

Je nach Art des Roboterwerkzeugs 7 und abhängig davon, ob das Roboterwerkzeug 7 eine Bewegung oder einen Haltevorgang ausführt, muss bei einer Sicherheitsabschaltung des Roboterarms 1, beispielsweise beim Auslösen eines Sensors des Sicherheitsbereichs zur Abgrenzung der Arbeitsumgebung des Roboterarmes 1, die Spannungsversorgung des Roboterwerkzeugs 7 umgehend sicher abgeschaltet werden. Für einen sicheren Betrieb der verschiedenen Roboterwerkzeuge 7 sind daher an dem Verbindungsflansch 9 zwei unterschiedliche Spannungsversorgungen notwendig. In dem erfindungsgemäßen Roboterarm 1 sind zur Bereitstellung der unterschiedlichen Versorgungsspannungen für die selektiv austauschbaren Roboterwerkzeuge 7 gemäß der in 2 gezeigten einfachen Verschaltung der Spannungsversorgung zwei Spannungswandler vorgesehen, die hier als zwei separate Netzteile 11 mit Transformatoren ausgebildet sind und die zur unterbrechungsfreien Spannungsversorgung mit der Hauptversorgungsleitung 8 des Roboterarms 1 verbunden sind. Dabei ist ein Transformator-Netzteil 11, in 2 das untere Netzteil 11, direkt mit der Übertragungseinheit 12 des Verbindungsflansches 9 verbunden und stellt entsprechend eine permanente Ausgangsspannung US1 bereit. Das zweite Transformator-Netzteil 11, in 2 das obere Netzteil 11, ist demgegenüber nur über ein Abschaltelement 13 mit der Übertragungseinheit 12 verbunden. Das Abschaltelement 13 ist über eine Steuerleitung 14 mit der Sicherheitssteuerung verbunden und ermöglicht beim Auslösen der Sicherheitsabschaltung eine umgehende Abschaltung der sicher steuerbaren Ausgangsspannung US2.Depending on the type of robot tool 7 and whether the robot tool 7 is carrying out a movement or a holding operation, the power supply of the robot tool 7 must be switched off immediately and safely in the event of a safety shutdown of the robot arm 1, for example when a sensor of the safety area is triggered to delimit the working environment of the robot arm 1. For safe operation of the various robot tools 7, two different power supplies are therefore required on the connecting flange 9. In the robot arm 1 according to the invention, in order to provide the different supply voltages for the selectively exchangeable robot tools 7 in accordance with the 2 Two voltage converters are provided for the simple connection of the power supply shown, which are designed here as two separate power supplies 11 with transformers and which provide uninterruptible power supply with the main supply line 8 of the robot arm 1. A transformer power supply 11, in 2 the lower power supply 11, is connected directly to the transmission unit 12 of the connecting flange 9 and accordingly provides a permanent output voltage US1. The second transformer power supply 11, in 2 the upper power supply unit 11, on the other hand, is only connected to the transmission unit 12 via a shutdown element 13. The shutdown element 13 is connected to the safety control via a control line 14 and enables immediate shutdown of the safely controllable output voltage US2 when the safety shutdown is triggered.

In 3 ist eine bevorzugte Verschaltung für die Spannungsversorgung an dem Verbindungsflansch 9 dargestellt. Auch hier ist das Roboterwerkzeug 7 im Bereich der Kopplungsebene K mit dem Drehkopf 6 des Roboterarmes 1 verbunden, beispielsweise mittels eines Verbindungadapters. Die selektive Spannungsversorgung des Roboterwerkzeug 7 erfolgt wiederum über die Hauptversorgungsleitung 8 des Roboterarmes 1, die mit zwei im Drehkopf 6 vorgesehenen separaten Netzteile 11 mit Transformatoren verbunden ist. Dabei ist die Verbindung der Hauptversorgungsleitung 8 mit dem oberen Netzteil 11 zur Bereitstellung einer sicher steuerbaren Ausgangsspannung US2 durch ein Abschaltelement 13 unterbrechbar, das über eine Steuerleitung 14 mit der Sicherheitssteuerung verbunden ist. Beim Auslösen einer Sicherheitsabschaltung bewirkt das Abschaltelement 13 eine Abschaltung der sicher steuerbaren Ausgangsspannung US2, in dem bereits die von der Hauptversorgungsleitung 8 bereitgestellte Eingangsspannung des Netzteils 11 unterbrochen wird. Zusätzlich ist nach dem Netzteil 11 in der Zuleitung der Ausgangsspannung US2 zur Übertragungseinheit 12 ein Sicherheitsschaltgerät 15 vorgesehen, das die Ausgangsspannung US2 überwacht und zur Überprüfung der Funktion des Netzteils 11 die erfassten Daten (hier die Ausgangsspannung) an die Sicherheitssteuerung überträgt. So lassen sich Fehlfunktionen des Abschaltelements 13 sowie des Netzteils 11 bzw. des Transformators unverzüglich feststellen. Das untere Netzteil 11 zur Bereitstellung einer permanenten Ausgangsspannung US1 ist wie in 2 eingangsseitig direkt mit der Hauptversorgungsleitung 8 und ausgangsseitig direkt mit der Übertragungseinheit 12 am Verbindungsflansch 9 verbunden.In 3 a preferred circuit for the voltage supply on the connecting flange 9 is shown. Here too, the robot tool 7 is connected to the rotating head 6 of the robot arm 1 in the area of the coupling plane K, for example by means of a connection adapter. The selective voltage supply of the robot tool 7 is again via the main supply line 8 of the robot arm 1, which is connected to two separate power supplies 11 with transformers provided in the rotating head 6. The connection of the main supply line 8 to the upper power supply unit 11 can be interrupted to provide a safely controllable output voltage US2 by a shutdown element 13, which is connected to the safety control via a control line 14. When a safety shutdown is triggered, the shutdown element 13 causes the safely controllable output voltage US2 to be switched off by interrupting the input voltage of the power supply unit 11 provided by the main supply line 8. In addition, a safety switching device 15 is provided after the power supply unit 11 in the supply line of the output voltage US2 to the transmission unit 12, which monitors the output voltage US2 and transmits the recorded data (here the output voltage) to the safety control system to check the function of the power supply unit 11. In this way, malfunctions of the shutdown element 13 and the power supply unit 11 or the transformer can be detected immediately. The lower power supply unit 11 for providing a permanent output voltage US1 is as in 2 on the input side directly connected to the main supply line 8 and on the output side directly connected to the transmission unit 12 on the connecting flange 9.

Bei dem in den 2 und 3 gezeigten Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Roboterarms 1 mit einem als Greifer ausgebildeten Roboterwerkzeug 7 ist auch im Falle einer Sicherheitsabschaltung ein unverändertes Festhalten des vom Roboterarm 1 gehaltenen und bewegten Werkstücks möglich. Es ist dazu eine Verbindung des Roboterwerkzeugs 7 mit der permanenten Ausgangsspannung US1 des Drehkopfs 6 notwendig, um bei einer Sicherheitsabschaltung Material- und Sachschäden zu vermeiden. In Ausnahmesituationen des Roboterarmes 1 und des Roboterwerkzeugs 7 kann die an der Hauptversorgungsleitung 8 anliegende Hauptversorgungsspannung auch von der internen Steuerung gemäß sicherheitsrelevanten Maßnahmen abgeschaltet werden.In the 2 and 3 In the application example shown of a robot arm 1 according to the invention with a robot tool 7 designed as a gripper, it is possible to hold the workpiece held and moved by the robot arm 1 unchanged even in the event of a safety shutdown. For this purpose, the robot tool 7 must be connected to the permanent output voltage US1 of the rotary head 6 in order to avoid material and property damage in the event of a safety shutdown. In exceptional situations involving the robot arm 1 and the robot tool 7, the main supply voltage applied to the main supply line 8 can also be switched off by the internal control system in accordance with safety-relevant measures.

In einem anderen Anwendungsbeispiel, wenn das Roboterwerkzeug 7 am Roboterarm 1 beispielsweise eine Säge oder eine Schweißzange ist, ist das Roboterwerkzeug 7 mit der sicher steuerbaren Ausgangsspannung US2 zu koppeln, um bei einer Sicherheitsabschaltung sicher von der Spannungsversorgung getrennt zu werden. Wenn das Bedienpersonal in den Arbeitsbereich des Roboterarmes 1 eintritt und damit eine Sicherheitsabschaltung auslöst, dann ist es zwingend notwendig, dass die Arbeitsabläufe und Bewegung eines solchen Roboterwerkzeugs 7 unverzüglich enden, um eine Verletzung des Bedienpersonals zu verhindern.In another application example, if the robot tool 7 on the robot arm 1 is, for example, a saw or welding gun, the robot tool 7 must be coupled to the safely controllable output voltage US2 in order to be safely disconnected from the power supply in the event of a safety shutdown. If the operating personnel enters the working area of the robot arm 1 and thereby triggers a safety shutdown, then it is imperative that the work processes and movement of such a robot tool 7 end immediately in order to prevent injury to the operating personnel.

4 zeigt eine alternative Möglichkeit einer sicher abschaltbaren Spannungsversorgung eines Roboterarms 1. Dazu ist am Drehkopf 6 oder in dem Roboterarm 1 ein Stromteiler oder ein Transformator-Netzteil 11 angeordnet. Der Stromteiler oder Transformator-Netzteil 11 ist eingangsseitig mit der Hauptversorgungsleitung 8 des Roboterarmes 1 verbunden und stellt ausgangsseitig sowohl eine permanente Ausgangsspannung US1 als auch eine steuerbare Ausgangsspannung US2 zur Versorgung des Roboterwerkzeugs 7 bereit. Die permanente Ausgangsspannung US1 ist ausgehend von dem Stromteiler oder dem Netzteil 11 direkt mit der Übertragungseinheit 12 am Verbindungsflansch 9 des Drehkopfes 6 verbunden. Demgegenüber ist die steuerbare Ausgangsspannung US2 über ein Abschaltelement 13 und ein Sicherheitsschaltgerät 15 mit der Übertragungseinheit 12 verbunden. Das erste Abschaltelement 13 ist über eine (zweikanalige) Steuerleitung 14 mit der Sicherheitssteuerung verbunden und ermöglicht beim Auslösen der Sicherheitsabschaltung eine umgehende Abschaltung der sicher steuerbaren Ausgangsspannung US2. Zusätzlich ist nach dem Abschaltelement 13 in der Zuleitung der Ausgangsspannung US2 zur Übertragungseinheit 12 wieder ein (zweikanaliges) Sicherheitsschaltgerät 15 angeordnet, das die Ausgangsspannung US2 überwacht und zur Überprüfung der Funktion des Stromteilers oder des Transformator-Netzteils 11 die erfassten Daten an die Sicherheitssteuerung überträgt. So lassen sich Fehlfunktionen des Netzteils 11 bzw. des Abschaltelements 13 sofort feststellen. Diese alternative Ausgestaltung einer sicher abschaltbaren Spannungsversorgung eines erfindungsgemäßen Roboterarms 1 erlaubt eine einfache Stromversorgung des Roboterwerkzeugs 7 über den bevorzugt nah am Drehkopf 6 oder Roboterwerkzeug 7 angeordneten Stromteiler und damit einen einfachen Betrieb des Roboterarmes 1 mit einer integrierten Sicherheitssteuerung. 4 shows an alternative possibility of a safely switchable power supply for a robot arm 1. For this purpose, a current divider or a transformer power supply 11 is arranged on the rotary head 6 or in the robot arm 1. The current divider or transformer power supply 11 is connected on the input side to the main supply line 8 of the robot arm 1 and on the output side provides both a permanent output voltage US1 and a controllable output voltage US2 to supply the robot tool 7. The permanent output voltage US1 is connected from the current divider or the power supply 11 directly to the transmission unit 12 on the connecting flange 9 of the rotary head 6. In contrast, the controllable output voltage US2 is connected to the transmission unit 12 via a switch-off element 13 and a safety switching device 15. The first shutdown element 13 is connected to the safety control via a (two-channel) control line 14 and enables the safely controllable output voltage US2 to be switched off immediately when the safety shutdown is triggered. In addition, a (two-channel) safety switching device 15 is arranged after the shutdown element 13 in the supply line of the output voltage US2 to the transmission unit 12, which monitors the output voltage US2 and transmits the recorded data to the safety control in order to check the function of the current divider or the transformer power supply 11. In this way, malfunctions of the power supply 11 or the shutdown element 13 can be detected immediately. This alternative embodiment of a safely switchable power supply of a robot arm 1 according to the invention allows a simple power supply of the robot tool 7 via the preferred current divider arranged close to the rotary head 6 or robot tool 7 and thus easy operation of the robot arm 1 with an integrated safety control.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11: Roboterarmrobot arm
22: Armelementarm element
33: Armgelenkwrist
44: Basisgliedbase member
55: Knieelementknee element
66: Drehkopfrotating head
77: Roboterwerkzeugrobot tool
88: Hauptversorgungsleitungmain supply line
99: Verbindungsflanschconnecting flange
1010: Kopplungsstückcoupling piece
1111: Netzteilpower supply
1212: Übertragungseinheittransmission unit
1313: Abschaltelementshutdown element
1414: Steuerleitungcontrol line
1515: Sicherheitsschaltgerät safety switching device
kk: Kopplungsebenecoupling level
US1US1: permanente Ausgangsspannungpermanent output voltage
US2US2: sicher steuerbare Ausgangsspannungsafely controllable output voltage

Claims

Robot arm (1) with at least two arm elements (2) that can be moved relative to one another, with an arm joint (3) being provided between each two adjacent arm elements (2), with at least one actuator for the relative movement of the at least two arm elements (2), with a main supply line (8) for supplying voltage to the at least one actuator and with at least one rotary head (6) on which a robot tool (7) can be arranged, characterized in that at least two voltage converters are provided in the robot arm (1) for supplying voltage to a robot tool (7) that can be arranged on the robot arm (1) and are each connected to the main supply line (8) of the robot arm (1), with a first voltage converter providing a first permanently applied output voltage (US1) and a second voltage converter providing a second safely controllable output voltage (US2) in normal control operation of the robot arm (1).

Robot arm (1) after claim 1 , characterized in that the at least two voltage converters are designed as power supplies (11) with transformers and/or as switching regulators without galvanic isolation.

Robot arm (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the at least two voltage transformers are arranged in the at least one rotary head (6) or in a connecting flange (9) or a coupling piece (10).

Robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the at least two voltage converters each transform an input voltage present in the main supply line (8) into an equal, a lower or a higher output voltage.

Robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that a safety controller is provided for the robot arm (1), preferably a robot arm controller with an integrated safety controller, wherein the second voltage converter, preferably a second power supply unit (11) is connected to the safety controller via a secure control signal connection (14), in particular a secure two-channel control signal connection.

Robot arm (1) after claim 5 , characterized in that the data of the secure control signal connection (14) are provided by means of an Ethernet connection.

Robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that a safety switching device (15) is provided for monitoring the second safely controllable output voltage (US2).

Robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the rotary head (6) has a connecting flange (9) for the connection to the robot tool (7), preferably a connecting flange (9) with a connecting adapter, wherein the first permanently applied output voltage (US1) and the second safely controllable output voltage (US2) are applied to the connecting flange (9) or preferably to the connecting adapter.

Robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the arm elements (2) which can be moved relative to one another are rotatable relative to one another and the arm joints (3) are designed as rotary joints, wherein the at least one actuator moves the arm elements (2) connected to one another by means of a rotary joint relative to one another.

Robot arm (1) with at least two arm elements (2) movable relative to one another, wherein an arm joint (3) is provided between each of the two adjacent arm elements (2), with at least one actuator for the relative movement of the at least two arm elements (2), with a main supply line (8) for supplying voltage to the at least one actuator and with at least one rotary head (6) on which a robot tool (7) can be arranged, characterized in that a current divider for the selective voltage supply of a robot tool (7) that can be arranged on the robot arm (1) with a first permanently applied output voltage (US1) and a second safely controllable output voltage (US2) is provided in the robot arm (1), the current divider being connected directly to the main supply line (8) of the robot arm (1) and a shutdown element (13), preferably a two-channel shutdown element (13), being provided for providing the second safely controllable output voltage (US2).

Robot arm (1) after claim 10 , characterized in that a safety control is provided for the robot arm (1), preferably a robot arm control with an integrated safety control, wherein the shutdown element (13), preferably the two-channel shutdown element (13), is connected to the safety control via a secure control signal connection (14), in particular a secure two-channel control signal connection.

Robot with a robot arm base, with a robot arm (1) according to one of the Claims 1 until 11 and with at least one rotating head (6) for attaching a robot tool (7).

Method for the safety shutdown of a robot arm (1) with a robot tool (7), wherein at least two power supplies (11), preferably with transformers, are provided in the rotary head (6) of the robot arm (1) for supplying voltage to the robot tool (7) arranged on the rotary head (6), and wherein the at least two power supplies (11) are connected to a main supply line (8) of the robot arm (1), a first power supply (11) supplies the robot tool (7) with a first permanently applied output voltage (US1), a second power supply (11) connected to a safety controller via a safe control signal connection (14), in particular a safe two-channel control signal connection, supplies the robot tool (7) with a second safely controllable output voltage (US2), and wherein the second safely controllable output voltage (US2) of the second power supply is interrupted in the event of a safety shutdown.