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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Parallelkinematik-Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Handhabung und/oder Steuerung eines solchen Parallelkinematik-Roboters mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs 14.
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Bekannte Verpackungs- oder Palettieranlagen zum Stapeln und Palettieren von Objekten wie Paketen oder Gebinden mit mehreren Artikeln wie bspw. Getränkebehältern weisen üblicherweise Horizontalfördereinrichtungen mit Förderbändern auf, auf denen die Stückgüter oder Gebinde in ununterbrochener oder unregelmäßiger Folge zu einer Handhabungseinrichtung befördert werden. Dort erfolgt eine Verschiebung, Ausrichtung und/oder Drehen einzelner Stückgüter oder Gebinde, um diese in eine geeignete räumliche Anordnung zu bringen, die eine Basis bildet, um die Stückgüter oder Gebinde in nachgeordneten Gruppierstationen zu stapelfähigen Stückgut- oder Gebindelagen zusammenzuschieben.
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In aktuellen Abfüll- und Verpackungslinien werden unterschiedliche Verfahren zum Drehen von Gebinden eingesetzt, die bspw. geeignete bewegliche Anschläge oder zwei Bänder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufweisen können. Bekannte Handhabungseinrichtungen können auch mit Greifern versehen sein, die bspw. an einem Portalsystem aufgehängt und in einem definierten Bewegungsbereich verschoben, rotiert und zudem in vertikaler Richtung bewegt werden können, um einzelne Stückgüter oder Gebinde zum Drehen und/oder Verschieben anheben zu können. Die Greifer können bspw. auch an Mehrachsroboterarmen angeordnet sein, die seitlich an den Horizontalfördereinrichtungen platziert sind. Derartige Greifvorrichtungen sind etwa aus der
EP 2 388 216 A1 bekannt.
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Darüber hinaus gibt es weitere Handhabungseinrichtungen zum Greifen, Verschieben, Drehen und/oder Versetzen von Artikeln oder Gebinden, die auf sog. Deltarobotern oder Parallelkinematik-Robotern basieren, welche in einer dreiarmigen Ausführung auch als Tripode bezeichnet werden. Jeder der Arme eines solchen Tripods oder Deltaroboters besteht aus einem an der Basis um eine gestellfeste Schwenkachse angetrieben verschwenkbar angeordneten Oberarm und einem mit dem Oberarm und einem Koppelelement gelenkig verbundenen Unterarm. Der Unterarm ist hierbei passiv, frei von einem Antrieb zu dessen Verschwenkung gegenüber dem Oberarm oder dem Koppelelement ausgeführt. Einer oder mehrere der Unterarme können bspw. über Kugelgelenke oder andere mehrachsig bewegliche Gelenke mit den jeweils zugehörigen Oberarmen und dem Koppelelement verbunden sein. Ein solcher einzelner Unterarm ist frei schwenkbar und besitzt keine Eigenstabilität. Alle Oberarme eines Deltaroboters sind jeweils um vorzugsweise innerhalb einer gemeinsamen Ebene liegende Schwenkachsen verschwenkbar angetrieben gelagert. Drei mit dem Koppelelement und jeweils mit ihrem zugehörigen Oberarm verbundene Unterarme bilden in jeder Position ein Kraftdreieck, das sich nur bewegen lässt, wenn die drei Oberarme synchron die für sie berechneten Schwenkbewegungen um deren gestellfeste Schwenkachsen ausführen. Zwei oder mehr Schwenkachsen können parallel verlaufen; in der Regel weisen alle Schwenkachsen zwei Schnittpunkte mit anderen Schwenkachsen auf.
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Wenigstens einer der Unterarme kann wahlweise aus zwei auch als Elle und Speiche bezeichneten, ein Parallelogrammgestänge bildenden Gestängeelementen bestehen, um das Koppelelement in zumindest einer vorgegebenen Ausrichtung relativ zur Basis zu führen. Typischerweise sind alle Unterarme jeweils aus solchen als Parallelogrammgestänge fungierenden Strebenpaaren gebildet. Das an den Unterarmen gelenkig aufgehängte Koppelelement dient dabei als Arbeitsplattform, die in der Praxis auch als Tool-Center-Point (TCP) bezeichnet wird. An diesem TCP kann ein Manipulator angeordnet sein, bspw. in Gestalt von gegeneinander zustellbaren Greifarmen o. dgl. Handhabungseinrichtung, so dass damit Artikel, Gebinde o. dgl. Stückgüter ergriffen und gedreht, verschoben oder von einer Auflagefläche angehoben werden können.
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Der an der Arbeitsplattform bzw. dem TCP angeordnete Manipulator kann wahlweise drehbar gelagert sein, um den Manipulator ausrichten oder eine gewünschte Drehung der Artikel oder Stückgüter ausführen zu können. Anstelle einer antreibbar drehbaren Lagerung des Manipulators am Koppelelement ist grundsätzlich auch denkbar, den Manipulator unverdrehbar am Koppelelement anzuordnen und das gesamte Koppelelement unter entsprechender Ausgleichbewegung der Arme vermittels der Teleskopwelle gegenüber der Basis zu verdrehen. Damit einhergehend ist jedoch der Nachteil eines nur eingeschränkten Drehwinkels des Koppelelements. Die Einschränkung ergibt sich durch das Erreichen von Endanschlägen der gelenkigen Verbindungen der Oberarme und/oder des Koppelelements mit den Unterarmen und/oder dem gegenseitigen Kontakt benachbarter Unterarme.
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Die Arbeitsplattform bzw. der Tool Center Point kann innerhalb des Bewegungsraumes in sehr kurzer Zeit jeweils alle gewünschten Verstellbewegungen ausführen, um seinen Manipulationsaufgaben und/oder seinen Anforderungen als Werkzeugkopf gerecht zu werden. Sofern jedoch unvorhergesehene Ereignisse auftreten, wie etwa ein nicht ordnungsgemäß oder erwartungsgemäß platziertes Werkstück, dem sich der Werkzeugkopf mit geringer Distanz nähern soll, oder wie etwa ein zu handhabendes und/oder zu greifendes Gebinde oder Stückgut, das gegenüber seiner zu erwartenden Position verdreht und/oder verschoben ist, drohen Kollisionen des Manipulators, Werkzeugkopfes bzw. Werkzeughalters mit dem jeweiligen Gegenstand oder Werkstück. Eine solche Kollision, die unter Umständen mit einer hohen Aufprallgeschwindigkeit eines der Stellarme und/oder des Manipulators, Werkzeugkopfes bzw. Werkzeughalters mit dem jeweiligen Gegenstand oder Werkstück verbunden sein kann, führt bestenfalls zu einer ungewollten Unterbrechung im Handhabungsablauf und im Steuerprogramm des Parallelkinematik-Roboters, da dieser normalerweise erst dann in seinem Programm fortfahren kann, bis das Hindernis beseitigt wurde. Im ungünstigsten Fall führt eine solche Kollision jedoch zu einer Beschädigung eines der Bauteile des Parallelkinematik-Roboters, so etwa zu einem verbogenen oder geknickten Unterarm oder zu einer Gelenkbeschädigung oder zu anderen Beschädigungen, die einen Maschinenstopp unabdingbar machen, um die Beschädigungen zu beseitigen und den Roboter auf seine einwandfreie Funktion zu überprüfen, ggf. inklusive einer Neukalibrierung, um die positionsgenauen Stellbewegungen weiterhin sicherstellen zu können.
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Zwar können derartige Manipulationsroboter über Einrichtungen zur Kollisionserkennung und/oder -vermeidung verfügen, doch können auch diese Systeme unter bestimmten Umständen versagen oder unzureichend funktionieren, was etwa bei sich bewegenden Werkstücken oder Stückgütern der Fall sein kann, die plötzlich die Bewegungsbahn des Stellarms kreuzen, so dass dessen aktuelle Stellbewegung nicht mehr schnell genug verzögert oder gestoppt werden kann.
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Insbesondere angesichts der letztgenannten Problematiken und Risiken kann ein vorrangiges Ziel der vorliegenden Erfindung darin gesehen werden, einen Parallelkinematik-Roboter in einer Weise auszustatten, dass bei dessen Bewegungen ungewollte und nicht zu vermeidende Kollisionen entweder zu einem reduzierten Beschädigungsrisiko führen oder dass die oben genannten Beschädigungen sogar weitgehend vermieden werden können. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein in entsprechender Weise verbessertes Verfahren zur Handhabung und/oder Steuerung eines solchen Parallelkinematik-Roboters vorzuschlagen, bei dem das Beschädigungsrisiko durch Kollisionen eines beweglichen Teils mit Werkstücken oder Gegenständen deutlich reduziert werden kann.
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Das erstgenannte Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen. So schlägt die vorliegende Erfindung zur Erreichung des genannten Ziels einen Parallelkinematik-Roboter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vor, der vielfältigen Einsatzzwecken dienen kann. So kann der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter bspw. für die Handhabung, das Stapeln und/oder das Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter kann jedoch ebenso der Führung wenigstens eines Werkzeuges dienen, das bspw. Fertigungs-, Handhabungs- und/oder Manipulationszwecken dienen kann. So kann der Parallelkinematik-Roboter bspw. zur Führung von Fertigungswerkzeugen, Schweißwerkzeugen, Niet- oder sonstigen Fügewerkzeugen in einer Fertigungsumgebung eingesetzt werden.
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Der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter, der – je nach Anzahl der miteinander gekoppelten Stellarme – auch als Tripod, als Duopod oder als Quadpod bzw. Quattropod bezeichnet werden kann, umfasst eine Aufhängung oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme gelenkig befestigt bzw. gelagert sind. Bei der Aufhängung kann es sich insbesondere um eine obere Aufhängung bzw. um ein Rahmengestell handeln, von dem aus die Stellarme jeweils nach unten in Richtung eines unterhalb der Aufhängung befindlichen Arbeitsraumes reichen, während es sich bei der Basis insbesondere um eine untere Basis handeln kann, von der aus die Stellarme jeweils nach oben in Richtung eines oberhalb der Basis befindlichen Arbeitsraumes reichen.
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Jeder der wenigstens zwei Stellarme ist durch wenigstens zwei relativ zueinander schwenkbare Armabschnitte gebildet, wobei die wenigstens zwei zueinander schwenkbaren Armabschnitte jedes der wenigstens zwei Stellarme durch einen schwenkbar an der Aufhängung oder Basis angelenkten und mittels Antrieb bewegbaren Oberarm und einen gelenkig am Oberarm angelenkten Unterarm gebildet sind. Der Parallelkinematik-Roboter umfasst zudem einen an den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes bewegbaren Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf. Der Bewegungsraum kann bedarfsweise durch Veränderungen der Schwenkbereiche der angetriebenen Oberarme, durch Positionsveränderungen der oberen oder unteren Aufhängung bzw. Basis sowie auch durch relative Positionsveränderungen der Aufhängungen bzw. Anlenkungen der Oberarme zueinander variiert werden. Somit ist vorgesehen, dass die Unterarme jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf und den Oberarmen herstellen.
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Erfindungsgemäß ist zumindest einem der wenigstens zwei Stellarme ein gegen mechanischen Widerstand auslösendes Stellelement zugeordnet, das eine in einem Sollzustand des Parallelkinematik-Roboters bzw. seiner Stellarme wirksame definierte Ausgangslage und mindestens eine von der Ausgangslage geometrisch abweichende, bei auf wenigstens einen der Stellarme wirkender Überlast einstellbare und reversibel in die Ausgangslage zurückführbare Knick-, Schwenk- oder Drehlage vorsieht. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass zumindest einer der Oberarme und/oder der Unterarme wenigstens eines der Gelenkarme mindestens eine Überlastkupplung und/oder einen bei Überlast und/oder bei einer Kollision auslösendes mechanisches Dämpfungselement aufweist, so dass Kollisionen des Manipulators, des Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes und/oder eines der Stellarme mit einem unnachgiebigen Hindernis nicht zu mechanischen Beschädigungen führen, sondern allenfalls nur zu einer kurzzeitigen Unterbrechung des Handhabungs- und/oder Fertigungsablaufs, bei dem/denen der Parallelkinematik-Roboter eingesetzt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboter kann bspw. wenigstens eine der Überlastkupplungen und/oder wenigstens eines der mechanischen Dämpfungselemente durch eine Linearführung gebildet sein, die parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des die Linearführung jeweils enthaltenden Unterarms angeordnet ist. Eine solche Linearführung kann insbesondere als teleskopierbares Element ausgebildet sein, das gegen die Rückstellkraft einer Feder oder auch dauerhaft verstellt, komprimiert und/oder in Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Unterarms verschoben werden kann. Wahlweise können diese Linearführungen bzw. teleskopierbaren Elemente in jedem Unterarm eingebaut sein, so dass jegliche Kollisionen des Manipulators bzw. Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes aufgefangen und abgemildert bzw. kompensiert werden können, indem die Linearführungen elastisch oder durch reversibles Längsverschieben nachgeben.
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Vorzugsweise bildet die wenigstens eine Linearführung eine mechanische Verbindung zwischen dem jeweiligen Unterarm und dem Manipulator und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf. Sinnvollerweise ist jeder Unterarm bzw. jede einzelne Strebe von paarweise ausgebildeten Unterarmstreben mit einer solchen Linearführung ausgestattet, so dass alle diese Linearführungen die mechanischen Verbindungen zwischen den jeweiligen Unterarmen und dem Manipulator und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf bilden. Bei dieser zuletzt genannten bevorzugten Ausführungsvariante des Parallelkinematik-Roboters sind alle Stellarme mit gleichartigen Überlastkupplungen und/oder mechanischen Dämpfungselementen bzw. mit gleichartigen Linearführungen in den Unterarmen ausgestattet, so dass jeglichen Kollisionen des Manipulators und/oder dem Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes aus beliebigen Richtungen innerhalb des Bewegungsraumes begegnet werden kann. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters können der Manipulator und/oder der Werkzeughalter oder Werkzeugkopf über elastische Gelenkverbindungen an den Unterarmen gelenkig aufgehängt sein.
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Sinnvollerweise sind den die mechanischen Dämpfungselemente bzw. die Überlastkupplungen bildenden Linearführungen in den Unterarmen jeweils definierbare Verstellwege und reversible Stellwege zugeordnet. Wie erwähnt, kann es sinnvoll sein, diesen Verstellwegen jeweils elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die mechanischen Dämpfungselemente bzw. die Überlastkupplungen nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen. Da eine solche federunterstützte Elastizität jedoch bei schnellen Stellbewegungen zu unerwünschten Schwingungs- und/oder Resonanzeffekten oder auch zu ungünstigen Einflüssen hinsichtlich der anzustrebenden Stellpräzision bzw. Positionsgenauigkeit bei der Bewegungssteuerung des Manipulators oder Werkzeughalters bzw. Werkzeugkopfes führen können, ist es ggf. sinnvoll, die nachgebenden Linearführungen bzw. Überlastkupplungen oder mechanischen Dämpfungselemente nicht selbsttätig in ihre Ausgangslagen zurückgleiten zu lassen, sondern eine manuelle oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage vorzusehen, was ggf. mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der beweglichen Teile verbunden werden kann. Hierdurch kann die gewünschte hochpräzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Eine sinnvolle Ausführungsvariante der Überlastkupplungen und/oder des wenigstens einen mechanischen Dämpfungselements bzw. der Linearführung besteht in einer Ausgestaltung als Stoßdämpfer, wobei sinnvollerweise mehrere Stellarme, vorzugsweise alle Stellarme mit solchen Stoßdämpfern auszustatten sind. Diese Stoßdämpfer können z.B. Reibungselemente oder hydraulische Elemente o. dgl. aufweisen, welche in der Lage sind, höhere Kräfte aufzunehmen, als normalerweise auf die Stellarme bzw. den Manipulator, den Werkzeughalter oder Werkzeugkopf einwirken sollten. Wie bereits anhand der zuvor diskutierten Ausführungsvarianten erwähnt, kann es sinnvoll sein, den mit solchen Stoßdämpfern realisierbaren Verstellwegen jeweils elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die Stoßdämpfer nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen. Um jedoch die oben erwähnten Schwingungsprobleme zu vermeiden, ist es darüber hinaus sinnvoll, definierte Auslösekräfte vorzusehen, um bei auftretenden Kräften, die diese definierten Auslösekräfte nicht überschreiten, von normalen Betriebszuständen auszugehen, bei denen die Stoßdämpfer weitgehend starr bleiben und keine Längsverschiebungen zulassen. Außerdem kann es auch bei der Ausführungsvariante mit Stoßdämpfern sinnvoll sein, diese je nach Belastungsfall nicht selbsttätig in ihre jeweilige Ausgangslage zurückgleiten zu lassen, sondern eine manuelle und/oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage vorzusehen, was ggf. mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der beweglichen Teile verbunden werden kann. Hierdurch kann die gewünschte hochpräzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Eine Variante des Parallelkinematik-Roboters sieht vor, dass die mindestens eine Überlastkupplung mit magnetischen Haftelementen versehen ist, die beim Überschreiten einer definierbaren Grenzlast voneinander trennbar sind. So kann eine weitere sinnvolle Ausführungsvariante der Überlastkupplungen in einer Kombination mit magnetischen Haftelementen bestehen, wobei wiederum vorzugsweise alle Stellarme mit solchen Auslöseelementen auszustatten sind. Diese magnetisch arbeitenden Überlastkupplungen sind vorzugsweise in der Lage, bis zum Überschreiten einer definierten Grenzkraft mittels magnetischen Haftflächen die normale Betriebslage aufrechtzuerhalten und erst bei Überschreiten dieser Grenzkräfte die Haftung zu verlieren, so dass die Arme und beweglichen Teile des Roboters von den bei Kollisionen auftretenden unzulässig hohen mechanischen Belastungen freigehalten werden. Ggf. kann es auch bei dieser Ausführungsvariante sinnvoll sein, den mit solchen magnetischen Überlastkupplungen realisierbaren Verstellwegen jeweils magnetische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die Überlastkupplungen nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen können. Alternativ kann es jedoch auch sinnvoll sein, die Überlastkupplungen je nach Belastungsfall nicht selbsttätig in ihre jeweilige Ausgangslage zurückbewegen zu lassen, sondern eine manuelle und/oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage bzw. normale Betriebslage vorzusehen, was ggf. mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der beweglichen Teile verbunden werden kann. Hierdurch kann die gewünschte hochpräzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Bei einer alternativ oder ergänzend zu betrachtenden Variante des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters kann zumindest einem der Oberarme eine mit einem gegen eine Rückstellkraft schwenkbare reibungsbehaftete und/oder mit einem Rastmechanismus und/oder mit magnetischen Haftelementen ausgestattete Überlastkupplung zugeordnet sein. Bei dieser reibungsbehafteten und/oder mit magnetischen Haftelementen ausgestatteten Überlastkupplung kann es sich bspw. um eine sog. Rutschkupplung handeln. Die dem wenigstens einen Oberarm zugeordnete Überlastkupplung kann jedoch bspw. auch durch ein Knick- und/oder Biegeelement ausgebildet sein, das den Oberarm beim Auftreten einer Überlast und/oder bei einer Kollisionssituation mit einer Schwenkbewegung ausweichen lässt. Auch bei diesen genannten Kupplungselementen, die einem der Oberarme oder auch mehreren oder allen Oberarmen zugeordnet sein können, können wiederum definierte Verstellwinkel und/oder gegen elastische Rückstellkräfte und/oder reversible Verstellwinkel der Oberarme vorgesehen sein. Wie erwähnt, kann es sinnvoll sein, diesen Verstellwegen bzw. Verstellwinkeln jeweils elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die Rutschkupplungen oder magnetischen oder sonstigen Überlastkupplungen nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen. Da eine solche federunterstützte Elastizität oder magnetisch unterstützte Rückstellkraft jedoch bei schnellen Stellbewegungen zu unerwünschten Schwingungs- und/oder Resonanzeffekten oder auch zu ungünstigen Einflüssen hinsichtlich der anzustrebenden Stellpräzision bzw. Positionsgenauigkeit bei der Bewegungssteuerung des Manipulators oder Werkzeughalters bzw. Werkzeugkopfes führen kann, ist es ggf. sinnvoll, die nachgebenden Rutsch- bzw. Überlastkupplungen oder mechanischen Dämpfungselemente nicht selbsttätig in ihre Ausgangslagen zurückgleiten zu lassen, sondern eine manuelle oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage vorzusehen, was ggf. mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der beweglichen Teile verbunden werden kann. Hierdurch kann die gewünschte hochpräzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Für eine solche manuell unterstützte mechanische Rückstellung eignen sich bspw. Scheibenpaarungen mit federunterstützten Rastmechanismen wie bspw. Kugelrastelementen, die aus einer Raststellung gebracht werden können, um den Oberarm bei einer auftretenden Überlast oder Kollision frei drehen oder schwenken zu lassen, um durch Zurückdrehen oder Zurückschwenken in die reguläre Ausgangslage wieder durch Federunterstützung am vorgesehenen Passungsloch einzurasten.
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Für eine solche manuell unterstützte mechanische Rückstellung eignen sich bspw. Scheibenpaarungen mit magnetischen Haftflächen, die aus einer Raststellung gebracht werden können, um den Oberarm bei einer auftretenden Überlast oder Kollision frei drehen oder schwenken zu lassen, um die Teile durch Zurückdrehen oder Zurückschwenken in die reguläre Ausgangslage wieder durch Magnetkraftunterstützung in eine vorgesehene Position zu bringen.
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Abweichend von der erwähnten mechanischen oder manuellen Rückstellung können die Stellelemente wahlweise auch mit Aktoren ausgestattet sein, die bedarfsweise für eine gesteuerte Rückbewegung aller ausgelösten Kupplungen in den Ausgangszustand sorgen können.
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Eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters kann vorsehen, dass zumindest einem der Stellarme ein Sensor zur Überlast- und/oder Kollisionserkennung zugeordnet ist, dessen Signale im Hinblick einer Ansteuerung zumindest einer der Überlastkupplungen und/oder mechanischen Dämpfungselemente und/oder zur Beeinflussung einer deren mechanischer Kennwerte ausgewertet und/oder verarbeitet werden. Weiterhin kann es sinnvoll sein, zumindest einen der Antriebe für zumindest einen der Oberarme hinsichtlich seiner elektrischen Betriebskennwerte sensorisch zu überwachen und/oder auszuwerten. Hierbei kann der gesamte Antrieb als Sensor fungieren und eine Kollisionserkennung unterstützen, indem insbesondere seine Stromaufnahmewerte überwacht und mit Sollwerten verglichen werden. Auf diese Weise lassen sich bereits aus den Stromkennwerten für die Antriebsmotoren irreguläre Ereignisse oder Betriebszustände erkennen und/oder ableiten.
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Als Sensoren kommen etwa Dehnmessstreifen (DMS) an den Ober- und/oder Unterarmen in Frage, deren Signale zuverlässige Aufschlüsse über einen regulären Betriebszustand bzw. über etwaige Überlastzustände der Stellarme liefern können, wenn etwa der Manipulator oder Werkzeugkopf mit einem Gegenstand kollidiert und die Biegekräfte, die auf die Stellarme wirken, dadurch gewisse Grenzwerte überschreiten. Als Sensoren können auch Beschleunigungs- und/oder Drehratensensoren eingesetzt werden, die zweckmäßigerweise am Manipulator oder Werkzeugkopf bzw. Werkzeughalter positioniert werden können. Diese Sensoren können bspw. zuverlässige Informationen über abrupte Verzögerungen liefern, die einem normalerweise zu erwartenden Bewegungs- bzw. Beschleunigungsprofil widersprechen oder hiervon deutlich abweichen, dass wiederum Rückschlüsse auf Kollisionen o. dgl. ermöglicht sind.
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Der Parallelkinematik-Roboter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten eignet sich insbesondere zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen, wobei der Manipulator und/oder der Werkzeughalter oder Werkzeugkopf zweckmäßigerweise ein Mittel oder mehrere Mittel zum Greifen und/oder Handhaben der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder auch ein geeignetes Fertigungs- und/oder Montagewerkzeug für einen industriellen Fertigungsprozess oder -teilprozess umfasst und mit den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Bewegung eines oder mehrerer der wenigstens zwei Stellarme eine Position des Manipulators und/oder des Werkzeughalter oder Werkzeugkopfes vorgegeben werden kann. Hierbei ist zumindest einem der wenigstens zwei Stellarme ein gegen mechanischen Widerstand auslösendes Stellelement zugeordnet, das eine in einem Sollzustand des Parallelkinematik-Roboters bzw. seiner Stellarme wirksame definierte Ausgangslage und mindestens eine von der Ausgangslage geometrisch abweichende, bei auf wenigstens einen der Stellarme wirkender Überlast einstellbare und reversibel in die Ausgangslage zurückführbare Knick-, Schwenk- oder Drehlage vorsieht.
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Das oben genannte weitere Ziel der Erfindung wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Verfahrensanspruchs erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen. So schlägt die vorliegende Erfindung zur Erreichung des genannten Ziels ein Verfahren zur Handhabung und/oder Steuerung eines Parallelkinematik-Roboters vor, welcher insbesondere einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten entsprechen kann und welcher zumindest die nachfolgend genannten Komponenten umfasst. So umfasst der Parallelkinematik-Roboter eine Aufhängung oder Basis, an welcher wenigstens zwei separat angetriebene und unabhängig voneinander bewegbare Stellarme gelenkig befestigt bzw. gelagert sind, die jeweils durch einen mittels Antrieb bewegbaren Oberarm und einen gelenkig daran gelagerten Unterarm gebildet sind. Zudem umfasst der Roboter einen an den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme gelenkig gelagerten und mittels Bewegungen der Stellarme innerhalb eines definierbaren Bewegungsraumes bewegbaren Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf. Zumindest einem der wenigstens zwei Stellarme ist ein gegen mechanischen Widerstand auslösendes Stellelement zugeordnet, das eine in einem Sollzustand des Parallelkinematik-Roboters bzw. seiner Stellarme wirksame definierte Ausgangslage und mindestens eine von der Ausgangslage geometrisch abweichende, bei auf wenigstens einen der Stellarme wirkender Überlast einstellbare und reversibel in die Ausgangslage zurückführbare Knick-, Schwenk- oder Drehlage vorsieht. Das Verfahren dient der Handhabung eines Parallelkinematik-Roboters, bei dem zumindest einer der Oberarme und/oder der Unterarme wenigstens eines der Gelenkarme mindestens eine Überlastkupplung und/oder mechanisches Dämpfungselement aufweist, das bei einer auf den Manipulator und/oder Werkzeughalter oder Werkzeugkopf und/oder bei einer auf zumindest einen der Stellarme wirkenden Überlast und/oder bei einer Kollision auslöst.
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Weiterhin kann das Verfahren vorsehen, dass die Signale zumindest eines Sensors ausgewertet werden, der wenigstens einem der Stellarme zugeordnet ist. Ein solcher Sensor kann im vorliegenden Zusammenhang der Überlast- und/oder Kollisionserkennung dienen, wobei die Ausgangssignale des Sensors im Hinblick einer Ansteuerung zumindest einer der Überlastkupplungen und/oder mechanischen Dämpfungselemente und/oder zur Beeinflussung einer deren mechanischer Kennwerte ausgewertet und/oder verarbeitet werden können.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass wenigstens einer der elektrischen Stellantriebe für zumindest einen der Oberarme hinsichtlich seiner elektrischen Betriebskennwerte sensorisch überwacht und/oder ausgewertet wird. So kann der gesamte Antrieb als Sensor fungieren und der Kollisionserkennung dienen, indem seine Stromaufnahmewerte überwacht und mit zu erwartenden Sollwerten verglichen werden, um daraus Rückschlüsse auf Unregelmäßigkeiten und/oder nicht reguläre Betriebszustände zu gewinnen.
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Um auf exakte Weise die Schwenkbewegungen der Oberarme mit den Schwenklagerungen für die jeweiligen Unterarme auf den Werkzeugkopf bzw. den Manipulator oder Werkzeughalter übertragen zu können, erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Unterarm zumindest eines der zwei, drei oder mehr Stellarme durch zwei parallel verlaufende Armabschnitte gebildet ist, die jeweils beabstandet voneinander am Oberarm angelenkt sind, während der Oberarm normalerweise durch einen einzelnen Armabschnitt gebildet ist. So kann mindestens einer der wenigstens zwei Unterarme der Vorrichtung durch mindestens zwei beabstandete und parallel verlaufende Streben gebildet sein, die mit einem ersten Ende jeweils an einem der Oberarme und mit einem zweiten Ende jeweils an einem Manipulator, einem Werkzeughalter und/oder Werkzeugkopf o. dgl. gelenkig gelagert sind. Auf diese Weise bildet zumindest ein Strebenpaar eines der Unterarme ein Parallelogrammgestänge, das durch die jeweils parallele Anlenkung am Oberarm sowie am Manipulator, Werkzeugkopf bzw. TCP die gewünschten Positionsveränderungen innerhalb des definierten Bewegungsraumes ausführen kann.
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Wie bereits erwähnt, kann der Manipulator des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters insbesondere ein Mittel oder mehrere Mittel zum Greifen und/oder Handhaben der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter, Gebinde- und/oder Stückgutlagen umfassen und mit den Unterarmen der wenigstens zwei Stellarme mechanisch gekoppelt sein, so dass durch eine Bewegung eines oder mehrerer der wenigstens zwei Stellarme eine Position des Manipulators innerhalb eines definierbaren Arbeits- oder Bewegungsraumes vorgegeben werden kann. So kann der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten insbesondere als Industrieroboter zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen Gegenständen im Zusammenhang mit dem Transport und Beförderung, der Verarbeitung, der Verpackung und/oder der Palettierung der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter und/oder Gebinde- und/oder Stückgutlagen zum Einsatz kommen und Verwendung finden.
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Der im vorliegenden Zusammenhang auch als Werkzeugkopf oder Werkzeughalter bezeichnete und an den Unterarmen aufgehängte Manipulator des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters kann wahlweise auch beliebige Fertigungs-, Füge-, Greif- und/oder Handhabungswerkzeuge aufweisen bzw. umfassen, die in einer Fertigungsumgebung zum Einsatz kommen können, ggf. in Zusammenwirkung mit weiteren solcher oder ähnlicher Roboter. Es sei an dieser Stelle betont, dass alle diese verwendeten Begriffe, sei es Manipulator, Werkzeughalter oder Werkzeugkopf, generell umfassend und nicht beschränkend im Sinne einer Greif- oder Haltevorrichtung o. dgl. verstanden werden sollen. Grundsätzlich können am Manipulator nahezu beliebige Werkzeuge angeordnet sein, die allesamt von der vorliegenden Erfindungsdefinition mit umfasst sein sollen. Der Werkzeugkopf oder Werkzeughalter, der in aller Regel den Manipulator bildet oder Teil des Manipulators ist, wird auch als TCP bzw. Tool Center Point bezeichnet. So kann der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten insbesondere auch als Industrieroboter zur Führung wenigstens eines Werkzeuges im Zusammenhang mit der Fertigung, Mittel- und/oder Beschichtungsapplikation, Montage, Manipulation und/oder Handhabung in einer Fertigungs- und/oder Industrieumgebung zum Einsatz kommen und Verwendung finden.
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Bei diesen unterschiedlichen Einsatzfällen und Verwendungen können die oben in unterschiedlichen Ausführungsvarianten beschriebenen Maßnahmen der Kollisionsvermeidung und/oder der Vermeidung von Beschädigungen bei nicht zu vermeidenden Kollisionen mit starren oder schweren Gegenständen oder Hindernissen dienen.
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Wahlweise kann der Manipulator oder der Werkzeugkopf und/oder Werkzeughalter zudem über wenigstens einen Aktor und/oder Antrieb zur Zusammenwirkung mit den zu greifenden und/oder zu handhabenden Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen und/oder über wenigstens einen Sensor verfügen. Der Aktor und/oder Antrieb und/oder der Sensor können auch Teil des Handhabungs- oder Fertigungswerkzeuges sein, das am Manipulator angeordnet sein kann. Der Begriff des Aktors ist in diesem Zusammenhang sehr allgemein zu verstehen. So kann dies ein nahezu beliebiges Stellelement oder ein nahezu beliebiger Antrieb sein, das/der im Zusammenhang mit dem Einsatz des Manipulators als Werkzeughalter und/oder für die Handhabung der Artikel, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen Verwendung finden kann. Auch der Betriff des Sensors ist allgemein zu verstehen. Der wenigstens eine Sensor kann in einem der Stellarme oder im Bereich des Manipulators angeordnet sein. Auch eine Kamera kann als Sensor in diesem Sinne dienen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass alle Ausführungsvarianten und Merkmalskombinationen, die sich auf den erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboter beziehen oder die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboter genannt und diskutiert wurden, gleichermaßen auch auf eine Verfahrensvariante Anwendung finden und als Verfahrensvariante in Frage kommen können, ohne dass darauf gesondert hingewiesen wurde. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass alle Ausführungsvarianten und Merkmalskombinationen, die sich auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und/oder Handhabung eines Parallelkinematik-Roboters beziehen oder die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannt und diskutiert wurden, gleichermaßen auch auf eine Variante des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters Anwendung finden und als Ausführungsvariante eines solchen Roboters in Frage kommen können, ohne dass darauf gesondert hingewiesen wurde.
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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters, der bspw. zur Handhabung und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden oder Stückgütern eingesetzt werden kann.
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2 zeigt eine perspektivische und schematische Ansicht einer Ausführungsvariante des Delta- bzw. Parallelkinematik-Roboters gemäß 1.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden in den 1 und 2 meist identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
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Einleitend sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in den
1 und
2 erläuterten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters sich auf einen Deltakinematik-Roboter oder Parallelkinematik-Roboter mit drei gleichartigen Schwenkarmen bzw. auf einen sog. Deltaroboter oder auch sog. Tripod beziehen, der Teil einer Handhabungseinrichtung bzw. eines Manipulators zur Handhabung, zum Drehen, Verschieben oder Aufnehmen von Artikeln, Stückgütern oder Gebinden sein kann. Hinsichtlich einer möglichen Ausgestaltung des Deltakinematik-Roboters, Deltaroboters bzw. Tripods, seines Aufbaus, seiner Funktionsweise und seines Bewegungsraumes sei insbesondere auf den Offenbarungsgehalt der
DE 10 2013 106 004 A1 verwiesen, auf deren gesamten Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Auf eine detaillierte Beschreibung der Bewegungsmodi, der Antriebe für die drei Schwenkarme etc. soll deshalb an dieser Stelle verzichtet werden. Grundsätzlich könnte der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter
10 gemäß
1 und
2 auch vier gleichartige Schwenkarme aufweisen, was auch als sog. Quadpod bezeichnet werden kann. Auch Varianten mit nur zwei Stellarmen – sog. Duopods – sind grundsätzlich denkbar und für manche Anwendungsfälle gebräuchlich. Auch können die Schwenk- oder Stellarme von einer unteren Basis nach oben ragen, so dass sich ein an den Unterarmen aufgehängter Werkzeugkopf zwischen den nach unten abgeknickten Unterarmen befindet, die jeweils an den nach oben ragenden Oberarmen schwenkbar aufgehängt sind.
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Die schematische Darstellung der 1 zeigt eine denkbare Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 10 zur Handhabung und/oder zum Manipulieren von hier nicht dargestellten Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern oder dergleichen, die je nach Ausführungsvariante wahlweise auch zum Handhaben und/oder zum Manipulieren von Stückgut- und/oder Gebindegruppierungen bzw. auch von Stückgut- und/oder Gebindelagen eingesetzt werden kann. Wahlweise kann der Parallelkinematik-Roboter 10 auch zur beweglichen Steuerung eines Füge- und/oder Fertigungswerkzeuges o. dgl. eingesetzt werden. Die Detailansicht der 2 lässt einige der Komponenten des Parallelkinematik-Roboters 10 deutlicher erkennen; zudem lässt die 2 noch deutlicher als die 1 erkennen, dass es sich bei dem Parallelkinematik-Roboter 10 um einen Roboter bzw. Deltakinematik-Roboter 10 mit drei gleicharmigen Stellarmen 20 handelt.
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Die in den 1 und 2 nicht dargestellten Artikel, Gruppierungen, Gebinde oder Stückgüter oder Lagen mit Stückgütern oder Gebinden stehen insbesondere auf einer Auflageebene und/oder einem Förderabschnitt 12 einer Vorrichtung 14 zur Handhabung, Förderung, Gruppierung und/oder Verpackung von Artikeln, Stückgütern, Gruppierungen und/oder Gebinden bzw. werden auf dieser Auflageebene oder dem Förderabschnitt 12 insbesondere in horizontaler Richtung bewegt. Der als Greif- und/oder Manipulationseinheit 16 ausgebildete bzw. eine solche Manipulationseinheit 16 aufweisende Roboter 10 ist oberhalb der Auflageebene und/oder dem Förderabschnitt 12 angeordnet und umfasst eine obere Aufhängung 18, an der drei separat angetriebene Stellarme 20 gelenkig befestigt bzw. gelagert sind. Jeder dieser drei Stellarme 20 ist durch zwei relativ zueinander schwenkbare Armabschnitte 22 und 24 gebildet, nämlich jeweils durch einen Oberarm 22, der um eine horizontale Schwenkachse beweglich ist und an der oberen Aufhängung 18 gelenkig und motorisch angetrieben aufgehängt ist, sowie durch einen Unterarm 24, der gelenkig mit dem Oberarm 22 verbunden ist und nach unten führt, so dass sich alle drei Unterarme 24 in einem unteren Koppelabschnitt 26 treffen, dem sog. Werkzeugkopf, Werkzeugträger oder auch Tool-Center-Point bzw. TCP. Wie es die 2 näher verdeutlicht, sind die Unterarme 24 jeweils durch Strebenpaare gebildet, während die Oberarme 22 jeweils einteilig ausgebildet sind. An diesem unteren Werkzeugkopf, Werkzeugträger bzw. Koppelabschnitt 26 bzw. dem TCP befindet sich im gezeigten Ausführungsbeispiel eine separat aktivierbare Greifeinrichtung 28 mit einem Paar gegeneinander zustellbarer Greifbacken, das der Erfassung, dem Greifen und/oder Manipulieren der auf dem Förderabschnitt 12 befindlichen Artikel, Gruppierungen, Gebinde oder Stückgüter dient.
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Der im vorliegenden Zusammenhang auch als Werkzeugkopf 26 oder Werkzeughalter bezeichnete und an den Unterarmen 24 aufgehängte Manipulator 16 des gezeigten Parallelkinematik-Roboters 10 kann wahlweise auch beliebige Fertigungs-, Füge-, Greif- und/oder Handhabungswerkzeuge aufweisen bzw. umfassen, die in einer Fertigungsumgebung zum Einsatz kommen können, ggf. in Zusammenwirkung mit weiteren solcher oder ähnlicher Roboter 10. Es sei an dieser Stelle nochmals betont, dass alle im vorliegenden Zusammenhang verwendeten Begriffe wie Manipulator 16, Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 generell umfassend und nicht beschränkend im Sinne einer Greifeinrichtung 28 oder Haltevorrichtung o. dgl. zu verstehen sind. Grundsätzlich können am Manipulator 16 nahezu beliebige Werkzeuge angeordnet sein, die allesamt von der vorliegenden Erfindungsdefinition mit umfasst sind. Der Werkzeugkopf 26 oder Werkzeughalter, der in aller Regel den Manipulator 16 bildet oder Teil des Manipulators 16 ist, wird auch als TCP bzw. Tool Center Point 26 bezeichnet.
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Wie dies bereits im Detail in der
DE 10 2013 106 004 A1 beschrieben ist, kann jeder der drei Stellarme
20 in gewissen Grenzen, die durch den jeweiligen Schwenkradius definiert sind, unabhängig von den anderen Stellarmen
20 betätigt werden, wodurch sich eine freie Beweglichkeit des Manipulators
16 mitsamt seiner Greifeinrichtung
28 innerhalb eines definierten Bewegungsraumes
30 ergibt, wobei durch eine Bewegung eines oder mehrerer der insgesamt drei Stellarme
20 eine Position der Greifeinrichtung
28 innerhalb des Bewegungsraumes
30 vorgegeben werden kann. Dieser Bewegungs- oder Arbeitsraum
30 ist – bezogen auf den Tool-Center-Point
26 – in vertikaler Richtung bzw. in z-Richtung ein relativ flacher Zylinder, an dessen unteren Rand sich ein ebenfalls relativ flaches Kugelsegment anschließt, wie dies in
1 angedeutet ist.
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Die obere Aufhängung 18 sieht im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 eine Abstützung über insgesamt drei schräge Stützträger 32 vor, die sich wiederum in einem Rahmengestell 34 der Vorrichtung 14 zur Handhabung, Förderung, Gruppierung und/oder Verpackung von Artikeln, Stückgütern, Gruppierungen und/oder Gebinden abstützen. Das Rahmengestell 34 kann bspw. ein starrer Stahlträgerrahmen o. dgl. mit verschraubten Vertikal- und Horizontalträgern sein, der im unteren Bereich den Horizontalförderabschnitt 12 aufnimmt. Der gezeigte Aufbau ist jedoch keinesfalls einschränkend zu verstehen, sondern liefert nur eine Ausführungsvariante einer Vielzahl möglicher bzw. sinnvoll realisierbarer Ausführungsvarianten zur Ausgestaltung der Vorrichtung, ihrer Einzelteile und der Rahmen- und Aufhängungsteile.
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Die schematische Perspektivansicht der 2 verdeutlicht die beweglichen Teile des Parallelkinematik-Roboters 10 gemäß 1 sowie insbesondere die erfindungsgemäß vorgesehenen Stellelemente 36, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 als gegen mechanischen Widerstand auslösende, linear verschiebbare Überlastkupplungen 38 ausgebildet sind, die in den jeweiligen unteren Abschnitten 40 der Unterarme 24 Verbindungen zwischen diesen und dem Manipulator 16 bzw. dem Werkzeugkopf 26 herstellen. Wie es die 2 im Detail erkennen lässt, sind an der oberen Aufhängung 18 des gezeigten Parallelkinematik-Roboters 10 die drei Oberarme 22 der insgesamt drei Stellarme 20 in einer Weise schwenkbar verankert und aufgehängt, dass sie mittels der ihnen jeweils zugeordneten elektrischen Antriebsmotoren 42 um jeweils in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnete Schwenkachsen 44 um einen definierten Schwenkwinkel auf und ab bewegt werden können.
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An jedem freien Ende der drei konzentrisch an der oberen Aufhängung 18 nach außen weisenden und mittels der Antriebe 42 um die Schwenkachsen 44 auf und ab bewegbaren Oberarme 22 sind jeweils die nicht gesondert angetriebenen Unterarme 24 gelenkig gelagert bzw. befestigt, an deren unteren Enden 40 wiederum der Werkzeugkopf 26 gehalten ist, der mit hier nicht näher ausgeführten separaten Antriebseinrichtungen zum Bewegen von Greifbacken, zum Drehen eines Greifers oder zum Antrieb anderer Handhabungselemente, wahlweise auch zur Führung nahezu beliebiger Werkzeuge, ausgestattet sein kann. Es kann sich hierbei bspw. um einen optionalen elektromotorischen, um einen elektromagnetischen oder um einen pneumatischen oder hydraulischen Antrieb handeln, wobei auch Kombinationen mehrerer solcher Antriebe möglich sind. Sofern ein Antrieb o. dgl. vorhanden ist, ist dieser Teil des Manipulators 16 bzw. des Werkzeugkopfes 26 und dient der Bewegung von Greif- und/oder Fertigungswerkzeugen oder anderer Handhabungselemente bzw. Werkzeuge, die dort angeordnet sein können.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Unterarme 24 aller drei vorhandenen Stellarme 20 des Parallelkinematik-Roboters 10 jeweils durch Strebenpaare 46, d.h. durch jeweils ein Paar gleich langer und gleichartiger Streben 48 gebildet, die jeweils die Verbindung zwischen stirnseitigen Gelenkabschnitten 50 der jeweiligen Oberarme 22 und dem im Bewegungsraum 30 (vgl. 1) beweglichen Werkzeugkopf 26 herstellen. Die Streben 48 sind jeweils an ihren beiden Enden in mehrachsig beweglichen Gelenken 52 mit den Gelenkabschnitten 50 der Oberarme 22 bzw. mit dem Werkzeugkopf 26 verbunden. Diese mehrachsig beweglichen Gelenke 52 können bspw. durch Kugelgelenke o. dgl. gebildet sein, die eine Beweglichkeit um mehr als eine Schwenkachse erlauben. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 handelt es sich bei den Gelenken 52 um relativ einfach aufgebaute Scharniergelenke, die den stirnseitig gelagerten Streben 48 jeweils Schwenkbewegungen um zwei Achsen erlauben, wobei die zweite Schwenkachse mit der Rotation der ersten Schwenkachse mitrotiert, so dass sich insgesamt eine freie Beweglichkeit ergibt, wie es auch ein Kugelgelenk ermöglicht.
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Wie es die 2 deutlich erkennen lässt, sind bei dem beispielhaft gezeigten Parallelkinematik-Roboter 10 die Überlastkupplungen 38 jeweils durch im unteren Bereich 40 jedes der Unterarme 24 angeordnete Linearführungen 54 gebildet, wobei jede einzelne Strebe 48 des Strebenpaares 46 jedes Unterarms 24 jeweils mit einer separaten Linearführung 54 ausgestattet ist, die fluchtend zur Längserstreckungsrichtung der die jeweilige Linearführung 54 jeweils enthaltenden Strebe 48 des Unterarms 24 angeordnet ist. Die gezeigten Linearführungen 54, die jeweils im unteren Bereich 40 des Unterarms 24, oberhalb des Manipulators 16 bzw. Werkzeugkopfes 26, platziert sind, sind hier jeweils als teleskopierbare Elemente 56 ausgebildet, die gegen die Rückstellkraft einer integrierten Feder und/oder dauerhaft verstellt, komprimiert und/oder in Längserstreckungsrichtung der jeweiligen Strebe 48 des Unterarms 24 verschoben werden können. Wie es die 2 andeutet, können diese Linearführungen 54 bzw. teleskopierbaren Elemente 56 in jedem Unterarm 24 eingebaut sein, so dass jegliche Kollision des Manipulators 16 bzw. Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes 26 aufgefangen und abgemildert bzw. kompensiert werden kann, indem die Linearführungen 56 elastisch oder durch reversibles Längsverschieben nachgeben.
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Entsprechend der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Parallelkinematik-Roboters 10 bilden die insgesamt sechs Linearführungen 54 die mechanischen Verbindungen zwischen dem jeweiligen Unterarm 24 bzw. dessen Strebenpaare 46 und dem Manipulator 16 und/oder dem Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26. Dadurch sind alle Stellarme 20 des Parallelkinematik-Roboters 10 mit gleichartigen Überlastkupplungen 38 und/oder mechanischen Dämpfungselementen bzw. mit gleichartigen Linearführungen 54 in den Unterarmen 24 ausgestattet, so dass jeglichen Kollisionen des Manipulators 16 und/oder dem Werkzeughalters oder Werkzeugkopfes 26 aus beliebigen Richtungen innerhalb des Bewegungsraumes 30 begegnet und Rechnung getragen werden kann.
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Sinnvollerweise sind den die mechanischen Dämpfungselemente bzw. die Überlastkupplungen 38 bildenden Linearführungen 54 in den Unterarmen 24 jeweils definierbare Verstellwege und reversible Stellwege zugeordnet. In diesem Zusammenhang kann es sinnvoll sein, diesen Verstellwegen jeweils elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die mechanischen Dämpfungselemente bzw. die Überlastkupplungen 38 nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen. Da eine solche federunterstützte Elastizität jedoch bei schnellen Stellbewegungen zu unerwünschten Schwingungs- und/oder Resonanzeffekten oder auch zu ungünstigen Einflüssen hinsichtlich der anzustrebenden Stellpräzision bzw. Positionsgenauigkeit bei der Bewegungssteuerung des Manipulators 16 oder Werkzeughalters bzw. Werkzeugkopfes 26 führen können, ist es ggf. sinnvoll, die nachgebenden Linearführungen 54 bzw. Überlastkupplungen 38 oder mechanischen Dämpfungselemente nicht selbsttätig in ihre Ausgangslagen zurückgleiten zu lassen, sondern eine manuelle oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage vorzusehen, was ggf. mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der beweglichen Teile verbunden werden kann. Hierdurch kann die gewünschte hochpräzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 10 auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Die gezeigten Linearführungen 54, die hier durch teleskopierbare Elemente 56 gebildet sind, können auch als sog. Stoßdämpfer ausgebildet sein, die bspw. als Reibungselemente oder hydraulische Elemente o. dgl. wirken können, so dass sie in die Lage versetzt sind, höhere Kräfte aufzunehmen, als normalerweise auf die Stellarme 20 bzw. den Manipulator 16, den Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 einwirken sollten und als im regulären Handhabungsbetrieb tatsächlich auftreten. Bei der Verwendung von Stoßdämpfern kann es sinnvoll sein, den jeweils realisierbaren Verstellwegen elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die Stoßdämpfer nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen.
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Bei einer alternativen Variante des Parallelkinematik-Roboters 10 kann den Oberarmen 22 jeweils eine mit einem gegen eine Rückstellkraft schwenkbare reibungsbehaftete und/oder mit einem Rastmechanismus ausgestattete Überlastkupplung 58 zugeordnet sein, was in 2 durch einen Pfeil auf die Verbindung zwischen dem Antriebsmotor 42 und den schwenkbaren Oberarmen 22 angedeutet ist. Bei dieser reibungsbehafteten Überlastkupplung 58 kann es sich bspw. um eine sog. Rutschkupplung handeln. Die Überlastkupplungen 58 können definierte Verstellwinkel der Oberarme 22 vorsehen bzw. erlauben. Ggf. kann es sinnvoll sein, diesen Verstellwegen bzw. Verstellwinkeln jeweils elastische Rückstellkräfte aufzuprägen, so dass die Rutschkupplungen oder Überlastkupplungen 58 nach jeder Aktivierung wieder selbsttätig ihre jeweiligen Ausgangsstellungen einnehmen. Da eine solche federunterstützte Elastizität jedoch bei schnellen Stellbewegungen zu unerwünschten Schwingungs- und/oder Resonanzeffekten oder auch zu ungünstigen Einflüssen hinsichtlich der anzustrebenden Stellpräzision bzw. Positionsgenauigkeit bei der Bewegungssteuerung des Manipulators 16 oder Werkzeughalters bzw. Werkzeugkopfes 26 führen können, ist es ggf. sinnvoller, die nachgebenden Rutsch- bzw. Überlastkupplungen 58 oder mechanischen Dämpfungselemente nicht selbsttätig in ihre Ausgangslagen zurückgleiten zu lassen, sondern eine manuelle oder gesteuerte Rückstellung in die neutrale Ausgangslage vorzusehen, was vorzugsweise mit einer Überprüfung der Kalibrierungssituation der Stellarme 20 zu verbinden ist. Hierdurch kann die gewünschte präzise Steuerbarkeit und Positionierbarkeit des erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 10 auch nach Kollisionsereignissen weiterhin aufrechterhalten und gewährleistet werden.
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Für eine solche manuell unterstützte mechanische Rückstellung eignen sich bspw. Scheibenpaarungen mit federunterstützten Rastmechanismen wie bspw. Kugelrastelementen, die aus einer Raststellung gebracht werden können, um den Oberarm 22 bei einer auftretenden Überlast oder Kollision frei drehen oder schwenken zu lassen, um durch Zurückdrehen oder Zurückschwenken in die reguläre Ausgangslage wieder durch Federunterstützung am vorgesehenen Passungsloch einzurasten.
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Der Parallelkinematik-Roboter 10 gemäß der beschriebenen Ausführungsvarianten eignet sich insbesondere zur Handhabung, zum Stapeln und/oder zum Manipulieren von Artikeln, Gruppierungen, Gebinden, Stückgütern, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder dergleichen, wobei der Manipulator 16 und/oder der Werkzeughalter oder Werkzeugkopf 26 zweckmäßigerweise ein Mittel oder mehrere Mittel zum Greifen und/oder Handhaben der Artikel, Gruppierungen, Gebinde, Stückgüter, Gebinde- und/oder Stückgutlagen oder auch ein geeignetes Fertigungs- und/oder Montagewerkzeug für einen industriellen Fertigungsprozess oder -teilprozess umfasst und mit den Unterarmen 24 der drei Stellarme 20 mechanisch gekoppelt ist, so dass durch die Bewegungen der Stellarme 20 eine Position des Manipulators 16 und/oder des Werkzeughalter oder Werkzeugkopfes 26 vorgegeben werden kann.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform anhand der 1 und 2 beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Roboter, Parallelkinematik-Roboter, Deltakinematik-Roboter
- 12
- Förderabschnitt, Horizontalförderabschnitt, Horizontalfördereinrichtung
- 14
- Vorrichtung, Handhabungs-, Förder-, Gruppierungs-, Verpackungsvorrichtung
- 16
- Greifeinheit, Manipulationseinheit, Manipulator
- 18
- obere Aufhängung
- 20
- Stellarm, Gelenkarm
- 22
- Oberarm, oberer Armabschnitt
- 24
- Unterarm, unterer Armabschnitt
- 26
- Koppelabschnitt, Tool-Center-Point (TCP), Werkzeugträger, Werkzeugkopf
- 28
- Greifeinrichtung
- 30
- Bewegungsraum, Arbeitsraum
- 32
- Stützträger
- 34
- Rahmengestell, Rahmen
- 36
- Stellelement
- 38
- Überlastkupplung
- 40
- unterer Abschnitt (des Unterarms), unteres Ende
- 42
- Antriebsmotor, elektrischer Antriebsmotor, Antrieb
- 44
- Schwenkachse, horizontale Schwenkachse (des Oberarms)
- 46
- Strebenpaar (des Unterarms)
- 48
- Strebe (des Unterarms)
- 50
- Gelenkabschnitt (des Oberarms), gelenkige Lagerung (des Unterarms am Oberarm)
- 52
- mehrachsig bewegliches Gelenk (der Strebe), Kugelgelenk
- 54
- Linearführung
- 56
- teleskopierbares Element
- 58
- Überlastkupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2388216 A1 [0003]
- DE 102010006155 A1 [0007]
- DE 102013208082 A1 [0007]
- US 8210068 B1 [0007]
- DE 102013106004 A1 [0040, 0044]