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Die Erfindung betrifft eine Arbeitsstation zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts, insbesondere zum Herstellen eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts, insbesondere zum Herstellen eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 3.
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Die Serienfertigung von Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, ist zumindest zum Großteil mittels von Robotern automatisiert. Der Roboter ist beispielsweise einerseits an einem Boden befestigt und weist andererseits ein Werkzeug auf, welches ein sogenannter Endeffektor des Roboters ist. Das Werkzeug dient zum Durchführen des Arbeitsschritts. Bei dem Werkzeug handelt es sich beispielsweise um ein Schweißwerkzeug, mittels welchem zwei Bauteile des jeweiligen Kraftwagens miteinander verschweißt werden können. Ferner kann es sich bei dem Endeffektor (Werkzeug) um einen Greifer handeln, mittels welchem der Roboter ein Bauteil beziehungsweise ein Werkstück an einer ersten Stelle aufnehmen und zu einer von der ersten Stelle unterschiedlichen, zweiten Stelle automatisch bewegen kann. Dies bedeutet, dass der Endeffektor relativ zum Boden in einem ersten Arbeitsraum des Roboters bewegt werden kann.
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Im Zuge der Herstellung von Kraftwagen ist es jedoch vorteilhaft, einige Arbeitsschritte, insbesondere Montagevorgänge, welche nicht oder nur sehr aufwendig automatisiert werden können, von Arbeitern durchführen zu lassen. Daher ist es bekannt, eine sogenannte Mensch-Roboter-Kooperation durchzuführen. Dabei ist dem menschlichen Arbeiter ein zweiter Arbeitsraum zugeordnet, in dem sich der menschliche Arbeiter aufhalten und wenigstens einen Arbeitsschritt manuell durchführen kann.
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Um Kollisionen des menschlichen Arbeiters mit dem Roboter zu vermeiden, kann eine strikte Trennung der Arbeitsräume vorgesehen sein. Hierbei überlappen sich die Arbeitsräume des Roboters und des menschlichen Arbeiters nicht. Dies führt jedoch zu einem hohen Platzbedarf einer Arbeitsstation und somit einer Produktionsanlage insgesamt.
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Um den Platzbedarf gering zu halten, kann vorgesehen sein, dass sich die Arbeitsräume zumindest in einem Überlappungsbereich gegenseitig überlappen. Dies bedeutet, dass sich der menschliche Arbeiter in dem Überlappungsbereich aufhalten kann und dass sich das Werkzeug durch den Überlappungsbereich hindurch bewegen kann. Um Kollisionen zu vermeiden oder um Folgen davon zu vermeiden oder gering zu halten, ist es beispielsweise vorgesehen, das Werkzeug mit einer nur sehr geringen Geschwindigkeit durch den Überlappungsbereich hindurch zu bewegen. Dies bedeutet, dass das Werkzeug in dem Überlappungsbereich im Vergleich zu einer strikten Trennung der Arbeitsräume deutlich langsamer bewegt wird. Hierdurch nimmt die Zeit, die der Roboter zur Durchführung seines wenigstens einen Arbeitsschritts benötigt, zu. Dadurch kann nur ein geringer Teil des Zeit- und Kosteneinsparungspotentials einer Automatisierung genutzt werden.
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Die
WO 2010/108518 A1 offenbart einen eigensicheren Roboter mit wenigstens einem bewegbaren Teil, dessen freies Ende entlang eines programmierbaren Bewegungspfads bewegbar ist.
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Schließlich offenbart der Artikel
„Von Zäunen befreit – Industrieroboter mit Ultraschall absichern", erschienen im Magazin „atp Edition" im September 2011 auf den Seiten 52 bis 59 eine Arbeitsstation und ein Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts mittels wenigstens eines Roboters. Der Roboter ist einerseits am Boden abstützbar und weist andererseits ein durch Bewegen des Roboters in einem Arbeitsraum bewegbares Werkzeug als Endeffektor zum Durchführen des Arbeitsschritts auf. Ferner ist wenigstens ein Ultraschallsensor zum Überwachen zumindest eines Teils des Arbeitsraums vorgesehen, wobei der Ultraschallsensor an dem Roboter angeordnet und somit mit dem Roboter mitbewegbar sein kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Arbeitsstation sowie ein Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts, insbesondere zum Herstellen eines Kraftwagens, der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich eine besonders zeit- und kostengünstige sowie für einen menschlichen Arbeiter besonders sichere Durchführung des wenigstens einen Arbeitsschritts realisieren lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Arbeitsstation mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Arbeitsstation zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts zu schaffen, mittels welcher sich eine besonders zeit- und kostengünstige, für einen menschlichen Arbeiter besonders sichere und durch einen Roboter bewirkbare Durchführung wenigstens eines Arbeitsschritts realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Ultraschallsensor am Werkzeug angeordnet beziehungsweise befestigt ist. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der wenigstens eine Ultraschallsensor an dem Endeffektor des Roboters gehalten ist. Wird das Werkzeug beziehungsweise der Endeffektor im Arbeitsraum des Roboters umher bewegt, so wird der Ultraschallsensor mit dem Endeffektor mit bewegt. Hierdurch lässt sich beispielsweise ein vor einer Werkzeugspitze angeordneter und/oder ein in Bewegungsrichtung vor dem Werkzeug liegender Bereich des Arbeitsraums besonders vorteilhaft mittels des Ultraschallsensors erfassen, so dass sich ein hinsichtlich einer möglichen Kollision des Werkzeugs mit einem menschlichen Arbeiter relevanter Teilbereich des Arbeitsraums sehr gut überwachen lässt.
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Da der Ultraschallsensor mit dem Werkzeug mitbewegbar ist, kann insbesondere der Teil des Arbeitsraums überwacht werden, durch den das Werkzeug gerade hindurch bewegt wird und in dem es aufgrund dieser Bewegung zu einer möglichen Kollision des Werkzeugs mit einem menschlichen Arbeiter kommen kann. Somit ist es möglich mittels des Ultraschallsensors einen sich in dem Arbeitsraum aufhaltenden Arbeiter zu erfassen und eine mögliche Kollision des Werkzeugs mit dem menschlichen Arbeiter zu detektieren. In der Folge ist es möglich, das tatsächliche Geschehen beziehungsweise Auftreten der Kollision zu vermeiden, da in Folge des Erfassens des menschlichen Arbeiters oder eines Gegenstands die Bewegung des Werkzeugs im Arbeitsraum im Vergleich zu einer unmittelbar vor dem Erfassen durchgeführten Bewegung verändert werden kann.
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Da mittels des Ultraschallsensors Kollisionen oder drohende Kollisionen sicher erfasst und in der Folge gegebenenfalls vermieden werden können, ermöglicht die Arbeitsstation die Darstellung einer besonders vorteilhaften Mensch-Roboter-Kooperation. Hierbei können sich jeweilige Arbeitsräume des Roboters und des menschlichen Arbeiters zumindest in einem Überlappungsbereich gegenseitig überlappen. Da mittels des Ultraschallsensors drohende Kollisionen besonders sicher und insbesondere besonders frühzeitig erfasst werden können, kann das Werkzeug auch in dem Überlappungsbereich mit einer besonders hohen Geschwindigkeit bewegt werden, so dass der Roboter den wenigstens einen Arbeitsschritt zeit- und kostengünstig durchführen kann. Darüber hinaus kann durch die Überlappung der Arbeitsräume der Platzbedarf der Arbeitsstation gering gehalten werden, so dass sich eine besonders kostengünstige Durchführung des Arbeitsschritts realisieren lässt.
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Die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Arbeitsstation genannten Vorteile gelten in ebensolcher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts.
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Wird beispielsweise mittels des Ultraschallsensors ein sich zumindest teilweise im Arbeitsraum befindendes Objekt erfasst, so wird vorzugsweise die Bewegung des Werkzeugs im Vergleich zu einer unmittelbar vor dem Erfassen durchgeführten Bewegung verändert. Unter dem Begriff „Objekt” ist dabei sowohl ein menschlicher Arbeiter als auch ein Gegenstand zu verstehen, welche mittels des Ultraschallsensors erfasst werden können. Das erfasste Objekt stellt einen Eindringling dar, mit welchem das Werkzeug bei seiner Bewegung kollidieren könnte. Um nun eine solche Kollision zu vermeiden und/oder Folgen einer solchen Kollision zu vermeiden oder gering zu halten, wird die Bewegung des Werkzeugs geändert. Hierbei wird das Werkzeug beispielsweise zumindest vorübergehend angehalten, so dass es zumindest vorübergehend nicht mehr im Arbeitsraum bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Bewegungsbahn des Werkzeugs geändert wird, wobei das Werkzeug nicht angehalten wird. Somit kann das Werkzeug dem erfassten Objekt ausweichen, ohne das Werkzeug anhalten zu müssen. Hierdurch lässt sich eine besonders zeit- und kostengünstige Durchführung des Arbeitsschritts realisieren.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug bewegt wird, geändert wird. Wird beispielsweise das Objekt erfasst, so kann das Werkzeug in seiner Geschwindigkeit verlangsamt werden. Hierdurch kann beispielsweise dem menschlichen Arbeiter Zeit verschafft werden, um dem Werkzeug auszuweichen. Darüber hinaus können dadurch Folgen von Kollisionen vermieden oder gering gehalten werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische Perspektivansicht auf einen Roboter zum Durchführen wenigstens eines Arbeitsschritts zum Herstellen eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, wobei an einem in einem Arbeitsraum bewegbaren Endeffektor gemäß einer ersten Ausführungsform des Roboters wenigstens ein Ultraschallsensor zum Überwachen zumindest eines Teilbereichs des Arbeitsraums angeordnet ist;
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2 eine schematische Seitenansicht auf den Endeffektor gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung einer Überwachungseinrichtung;
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4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktion des Ultraschallsensors;
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5 eine schematische Darstellung des Ultraschallsensors;
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6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Roboters;
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7 ein weiteres Ablaufdiagramm des Verfahrens;
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8 eine schematische und perspektivische Draufsicht auf den Ultraschallsensor gemäß 2; und
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9 eine schematische Perspektivansicht des Roboters gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht einen Roboter 10 einer Arbeitsstation. Der Roboter 10 ist vorliegend als Leichtbauroboter ausgebildet. Unter einem solchen Leichtbauroboter ist ein Roboter zu verstehen, der ein sehr geringes Eigengewicht und eine sehr präzise Steuerung, insbesondere Kraftsteuerung, oder Regelung, insbesondere Kraftregelung, aufweist. Bei einem solchen Leichtbauroboter handelt es sich insbesondere um einen kraftsensitiven Leichtbauroboter, welcher eine prozesssichere und schnelle Durchführung von Prozessen ermöglicht. Der Leichtbauroboter weist dabei integrierte Kraft- und/oder Drehmoment- und/oder Wegsensoren auf, mittels welchen die Kraft und/oder das Drehmoment an Bewegungsachsen des Roboters gemessen werden kann. Als im Rahmen der Erfindung mit umfasst ist es jedoch zu betrachten, dass anstelle des Leichtbauroboters auch ein Industrieroboter, insbesondere ein eigensicherer Industrieroboter, verwendet werden kann.
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Die genannte Arbeitsstation ist beispielsweise Bestandteil einer Produktionsanlage, mittels welcher eine Massenproduktion von Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, durchgeführt wird. An der Arbeitsstation werden Arbeitsschritte zum Herstellen der Kraftwagen durchgeführt, wobei mittels des Roboters 10 wenigstens einer dieser Arbeitsschritte automatisiert beziehungsweise automatisch durchgeführt wird.
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Der Roboter 10 umfasst eine Basis 12, über die der Roboter 10 einerseits an einem Boden abstützbar und befestigbar ist. Darüber hinaus umfasst der Roboter 10 eine Mehrzahl von Roboterarmen 14, 16, 18, 20 und 22. Die Roboterarme 14, 16, 18, 20, 22 sind gelenkig miteinander verbunden und dadurch um wenigstens eine jeweilige Bewegungsachse relativ zueinander drehbar und/oder entlang der Bewegungsachse relativ zueinander bewegbar. Der Roboterarm 14 ist gelenkig mit der Basis 12 verbunden, so dass auch der Roboterarm 14 um wenigstens eine Bewegungsachse relativ zur Basis 12 gedreht und/oder entlang der Bewegungsachse relativ zur Basis 12 bewegt werden kann. Außerdem weist der Roboter 10 einen Arbeitskopf 24, welcher gelenkig am Roboterarm 22 gehalten ist. Dadurch kann der Arbeitskopf 24 um wenigstens eine Bewegungsachse relativ zum Roboterarm 22 bewegt und/oder entlang der Bewegungsachse relativ zum Roboterarm 22 bewegt werden.
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Darüber hinaus umfasst der Roboter 10 ein Werkzeug 26, welches auch als Endeffektor bezeichnet wird. Das Werkzeug 26 ist an dem Arbeitskopf 24 gehalten. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug 26 um wenigstens eine Bewegungsachse relativ zum Arbeitskopf 24 drehbar und/oder entlang der Bewegungsachse relativ zum Arbeitskopf 24 bewegbar ist. Das Werkzeug 26 dient zum Durchführen des Arbeitsschritts. Bei dem Werkzeug 26 handelt es sich beispielsweise um ein Schweißwerkzeug, mittels welchem ein Schweißvorgang als der Arbeitsschritt durchgeführt werden kann. Mittels des Schweißwerkzeugs ist es beispielsweise möglich, wenigstens zwei Bauteile des Kraftwagens miteinander zu verschweißen. Alternativ kann das Werkzeug 26 als Greifer oder Schraubwerkzeug ausgebildet sein.
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Mittels des Greifers kann der Roboter 10 ein Bauteil beziehungsweise ein Werkstück aufnehmen und an sich fixieren. Dadurch kann der Roboter 10 das Bauteil beispielsweise von einer ersten Stelle zu einer davon unterschiedlichen zweiten Stelle bewegen und das Bauteil beispielsweise an der zweiten Stelle an einem anderen Bauteil montieren. Mittels des Roboters 10 lässt sich somit eine Automatisierung von Arbeitsschritten zum Herstellen von Kraftwagen durchführen. Der Roboter 10 weist dabei einen Arbeitsraum auf, in welchem das Werkzeug 26 durch Bewegen des Roboters 10 bewegbar ist beziehungsweise im Rahmen der Massenproduktion der Kraftwagen bewegt wird.
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Im Rahmen der Herstellung der Kraftwagen ist beispielsweise eine Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) bei der Arbeitsstation vorgesehen. Dies bedeutet, dass bei der Arbeitsstation, bei der auch der Roboter 10 eingesetzt wird, wenigstens ein menschlicher Arbeiter zum manuellen Durchführen wenigstens eines der Arbeitsschritte eingesetzt wird. Dem menschlichen Arbeiter ist dabei ein zweiter Arbeitsraum zugeordnet, in welchem sich der menschliche Arbeiter aufhalten und Arbeitsschritte manuell durchführen kann. Um den Platzbedarf und somit die Kosten der Arbeitsstation und der Produktionsanlage insgesamt gering zu halten, ist es vorgesehen, dass sich die Arbeitsräume des Roboters 10 und des menschlichen Arbeiters zumindest in einem Überlappungsbereich gegenseitig überlappen. Dies bedeutet, dass das Werkzeug 26 in dem beziehungsweise durch den Überlappungsbereich bewegt wird und dass sich auch der menschliche Arbeiter in dem Überlappungsbereich aufhalten kann.
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Um nun eine besonders zeit- und kostengünstige sowie für den menschlichen Arbeiter sichere Durchführung des durch den Roboter 10 durchzuführenden Arbeitsschritts zu realisieren, umfasst die Arbeitsstation wenigstens einen Ultraschallsensor 28, welcher am Roboter 10 angeordnet und mit diesem mit bewegbar ist. Der Ultraschallsensor 28 dient dabei zur Überwachung zumindest eines Teils des Arbeitsraums des Roboters 10.
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Wie aus 1 erkennbar ist, ist der Ultraschallsensor 28 nicht etwa an einem der Roboterarme 14, 16, 18, 20, 22, nicht an der Basis 12 und auch nicht am Arbeitskopf 24, sondern am Endeffektor (Werkzeug 26) angeordnet. Mittels des Ultraschallsensors 28 ist beispielsweise zumindest ein vor der Spitze 30 des Werkzeugs 26 angeordneter und/oder ein in Bewegungsrichtung vor dem Werkzeug 26 liegender Bereich des Arbeitsraums erfassbar. Hierdurch ist es möglich, sich in dem mittels des Ultraschallsensors 28 erfassbaren Teilbereich des Arbeitsraums befindende Objekte mittels des Ultraschallsensors 28 zu erfassen. In der Folge ist es möglich, Kollisionen oder drohende, das heißt zeitlich bevorstehende, mögliche, jedoch noch nicht tatsächlich eingetretene Kollisionen des Werkzeugs 26 mit einem sich in dem Arbeitsraum des Roboters 10 befindenden Objekt zu erfassen. Insbesondere ist es möglich, eine drohende Kollision des Roboters 10 mit dem menschlichen Arbeiter im Überwachungsbereich zu erfassen. Dies bedeutet, dass der menschliche Arbeiter mittels des Ultraschallsensors 28 erfasst werden kann. Wird mittels des Ultraschallsensors 28 ein Objekt, insbesondere der menschliche Arbeiter, erfasst, so wird eine Logik zur Gefahrabwendung aktiv, wobei diese Logik zum Regeln und/oder Steuern des Roboters 10 dient.
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Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben des Roboters 10 kann somit vorgesehen sein, dass die Bewegung des Werkzeugs 26 im Arbeitsraum verändert wird, wenn mittels des Ultraschallsensors 28 ein sich zumindest teilweise im Arbeitsraum befindendes Objekt erfasst wird. Im Rahmen dieser Veränderung der Bewegung kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug 26 zumindest vorübergehend angehalten und somit nicht weiter bewegt wird. Dies ist als sicherheitsgerichteter Stop auszuführen, der auch als Nothalt bezeichnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Bewegungsbahn des Werkzeugs 26 geändert wird. Dadurch kann das Werkzeug 26 dem erfassten Objekt ausweichen, um eine Kollision zu vermeiden. Darüber hinaus ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass eine Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug 26 bewegt wird, geändert wird.
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Mittels des Ultraschallsensors 28 lässt sich auch eine sogenannte Lemfahrt des Werkzeugs 26 realisieren. Im Rahmen einer solchen Lernfahrt wird das Werkzeug 26 durch den Arbeitsraum bewegt. Hierbei wird die Umgebung des Werkzeugs 26 erfasst, das heißt eingelernt und beispielsweise als sogenannte Soll-Umgebung abgelegt. Im Rahmen des Normalbetriebs des Roboters 10 wird mittels des Ultraschallsensors 28 dann die Umgebung des Werkzeugs 26 als Ist-Umgebung erfasst und mit der Soll-Umgebung verglichen. Weicht die Ist-Umgebung von der Soll-Umgebung ab, so kann dadurch ermittelt werden, dass sich zumindest ein Objekt unerwünschter Weise im Arbeitsraum befindet. Durch die Lernfahrt können somit Störkonturen im Arbeitsraum detektiert werden, wobei dann diese bekannten Störkonturen der Soll-Umgebung keine Veränderung der Bewegung des Roboters 10 auslösen, wenn diese bekannten Störkonturen mittels des Ultraschallsensors 28 im Normalbetrieb des Roboters 10 erfasst werden.
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2 zeigt das Werkzeug 26 (Endeffektor) gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Werkzeug 26 ist beispielsweise als Bohr- oder Schraubwerkzeug ausgebildet. Das Werkzeug 28 weist zumindest einen Teil 32 auf, welcher zumindest im Wesentlichen stabförmig ausgebildet ist und demzufolge eine Längserstreckung aufweist. Wie aus 2 erkennbar ist, ist der Ultraschallsensor 28 als Kranz oder Ring ausgebildet, welcher den Teil 32 beziehungsweise das Werkzeug 26 außenumfangsseitig, insbesondere vollständig umlaufend, umgibt. Hierdurch kann der Raum vor der Werkzeugspitz 30 und/oder vor der Bewegungsrichtung überwacht werden. Wird erfasst, dass sich ein Objekt nähert, so kann eine Logik zur Gefahrenabwendung aktiv werden. Dabei kann es zu einem Nothalt, einer Geschwindigkeitsreduzierung und/oder zu einem Ausweichen kommen. Ferner ist es möglich, wenigstens eine Lernfahrt durchzuführen, um die Umgebung einzulernen. Dadurch lösen eingelernte beziehungsweise bekannte Störkonturen einen Nothalt aus. Durch eine Referenzmarke oder Referenzkörper, insbesondere einen Referenzring, kann die Funktion des Ultraschallsensors 28, insbesondere online, überwacht werden.
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Wird der Ultraschallsensor 28 kranzförmig um die Werkzeugspitze 30 beziehungsweise den Teil 32 angeordnet, so ergibt sich ein Überwachungsbereich rund um den Gefahrenbereich. Die Sichtweite in Richtung der Werkzeugspitze 30 ist auch hier die maximale Reichweite des Ultraschallsensors 28. Außerdem können Annäherungen aus jeder beliebigen Richtung erkannt werden.
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Aus 2 ist ein Aufbau einer Überwachungseinrichtung 33 erkennbar. Diese umfasst Sensorköpfe 34 von Ultraschallsensoren, eine nachgeschalteten Auswerteeinheit 36 in Form eines Mikrocontrollers und sichere Ausgänge A1, A2 und A3. Damit die Überwachungseinrichtung 33 das geforderte Performance Level d (PL = d) erreicht, sind gewisse Anforderungen zu erfüllen. Im Folgenden werden diese Anforderungen und Lösungsvorschläge genauer beschrieben.
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Sichere Sensorköpfe 34: vorzugsweise wird sichergestellt, dass die Sensorköpfe 34 des Ultraschallsensorsystems einen Schall ausstrahlen und später den reflektierten Schall wieder empfangen. Hierzu kann eine redundante Anordnung vorgesehen sein. Da dies gerade bei tastenden Sensoren als komplex einzustufen ist, wurde eine Ersatzmaßnahme gefunden. Diese ermöglicht es, auf eine solche redundante Anordnung zu verzichten und eine sichere Fehlererkennung zu gewährleisten. Die Sensorköpfe 34 des Ultraschallsensorsystems sind beispielsweise in einem Abstrahlwinkel von 10° zur Werkzeugachse angeordnet. Die Außenseiten der sogenannten Schallkeulen verlaufen somit parallel am Schraubergehäuse beziehungsweise an einem Gehäuse des Werkzeugs 26 entlang. Durch die Anbringung eines aus 4 erkennbaren Referenzrings 38 am mit 40 bezeichneten Gehäuses wird bei der Auswertung des Sensorsignals einen Referenzpeak 42 erzeugt. In 4 ist auch ein Anregungspeak 44 erkennbar. Eine Überwachung des Referenzpeaks 42 ermöglicht eine interne Funktionskontrolle jedes Sensorkopfs 34 bei jedem Messzyklus.
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Diese Funktionsüberwachung beinhaltet den gesamten Funktionsumfang von der Anregung des jeweiligen Sensorkopfs 34 vom Mikrocontroller, der Kabelverbindung von Mikrocontroller zum Sensorkopf 34, der Ausstrahlung des Schalls, dem anschließenden Empfangen des reflektierten Schalls und der Kabelverbindung zum Mikrocontroller. Ist der 42 Referenzpeak nicht vorhanden, wird eine Störung ausgegeben, da entweder der Sensorkopf 34 einen Defekt aufweist, der Referenzring 38 beschädigt wurde oder ein Gegenstand zwischen Referenzring 38 und Sensorkopf 34 eingedrungen ist. Als positive Nebeneffekte dieser Maßnahme können somit die Möglichkeit, Gegenstände in der Blindzone des Sensors zu erkennen und die Manipulationssicherheit gegen Abdeckung der Sensorköpfe 34 verzeichnet werden. Bei der eigentlichen Entfernungsbestimmung eines detektierten Gegenstands muss der Referenzpeak 42 ausgeblendet werden.
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Sicherer Mikrocontroller: der Mikrokontroller übernimmt zwei Funktionen, die für den Sensorbetrieb notwendig sind. Eine dieser Funktionen ist die Anregung des Sensorkopfs 34. Da diese Funktion bereits durch die Überwachung des oben beschriebenen Referenzechos kontrolliert wird, müssen innerhalb des Mikrocontrollers keine weiteren Maßnahmen getroffen werden. Die zweite Funktion des Mikrocontrollers ist die Auswertung der Sensorsignale. Im Rahmen der Überwachungseinrichtung 33 fällt die Überwachung des Referenzpeaks 42 mit in diesen Funktionsbereich. Der Referenzpeak 42 wird hierzu zunächst auf Plausibilität bezüglich Lage, Anwesenheit und Stärke geprüft. Falls diese Plausibilitätsprüfung positiv ausgefällt, wird der Referenzpeak 42 ausgeblendet und die Abstands-bestimmung auf Basis der folgenden Peaks durchgeführt. Damit der gesamte Funktionsumfang der Auswertung von Sensorsignalen in sicherer Technik zertifiziert werden kann, wird eine redundante Ausführung des Mikrocontrollers empfohlen. Um einen kritischen Ausfall aufgrund eines Programmierfehlers entgegenzuwirken, müssen die beiden Mikrocontroller auf unterschiedlichen Softwareplattformen programmiert werden. Beim Einsatz des Ultraschallsensorsystems ist es notwendig, eine Annäherung der Werkzeugspitze 30 an Wirkstellen zu ermöglichen. Hierfür werden insgesamt drei feste Schaltpunkte vom Mikrokontroller zur Verfügung gestellt.
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Sichere Ausgänge A1, A2 und A3: Die sicher ausgewerteten Sensorsignale müssen über die sicheren Ausgänge A1, A2 und A3 an die Robotersteuerung übertragen werden. Eine Möglichkeit zur Realisierung von sicheren Ausgängen ist auch hier die redundante Ausführung. Damit die Ausgänge kurzschlusssicher sind, wird empfohlen, einen Ausgang als Schließer und einen als Öffner auszuführen. Damit das System nicht zu komplex wird, werden beispielswese drei Schaltabstände S1, S2 und S3 gewünscht, was aus 5 zu erkennen ist. Diese Schaltabstände S1, S2 und S3 sind 200 mm, 100 mm und 10 mm. Der Schaltabstand kann somit bei der Annäherung an eine Wirkstelle in drei Schritten verringert werden, sodass im letzten Schritt eine Kollision oder unerwünschten Folgen einer Kollision wie beispielsweise die Quetschung eines Fingers ausgeschlossen werden kann.
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Manipulationssicherheit: Die notwendige Manipulationssicherheit wird durch die oben beschriebene Überwachung des Referenzechos abgesichert. Weitere Maßnahmen sind nicht vorgesehen.
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Mögliche Sicherheitsstrategie bei variablen Schaltabständen: das Ultraschallsensorsystem ist eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung. Das bedeutet, die Gefahrenstelle wird von einem Überwachungsbereich, das heißt einem in 5 mit 46 bezeichneten Sensorfeld des Ultraschallsensors, umhüllt. Wenn ein Gegenstand in den Überwachungsbereich eindringt, wird dies vom Ultraschallsensorsystem erkannt und eine geeignete Maßnahme, wie ein Nothalt, eingeleitet. Der sogenannte Mindesttrennabstand ist von der Robotergeschwindigkeit abhängig und bestimmt, wie groß der Überwachungsbereich sein muss.
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Fährt der Roboter langsamer, so darf ein Gegenstand näher an die Gefahrenstelle herankommen. Während einer MRK-Fahrt mit dem Ultraschallsensorsystem wird bei der Fahrt im freien Raum der Schaltabstand des Ultraschallsensorsystems gemäß dem Mindesttrennabstand gewählt. Nähert sich ein Gegenstand an und unterschreitet den Mindesttrennabstand, wird der sofortige Nothalt ausgelöst. Das Programm pausiert daraufhin z. B. zehn Sekunden. Ist der Überwachungsbereich nach dieser Zeitspanne wieder frei, führt der Roboter seine Bewegung weiter aus. Befindet sich der Gegenstand weiterhin im Überwachungsbereich, springt das Programm zurück und pausiert abermals zehn Sekunden. Dieser Ablauf ist aus 6 erkennbar. Hierbei kann also ein sicherheitsgerichteter Stopp bei Unterschreiten eines Mindestabstands realisiert werden. In der Folge ist es möglich, Schraub- und Bohrendeffektoren im Rahmen einer MRK einsetzen zu können. Das Sensorsystem kann dabei einen einfachen Aufbau aufweisen und insbesondere einkanalig und nicht redundant ausgestaltet sein. Ferner können Störkonturen gering gehalten werden. Ein mechanischer Aufbau ist nicht erforderlich, so dass Zugänglichkeitsprobleme vermieden werden können. Auch Referenzfahrten sind nicht zwangsweise erforderlich, da das Ultraschallsensorsystem seine Umgebung nicht zwangsweise kennen muss.
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Bei der Annäherung an beispielsweise eine Schraubstelle fährt der Roboter mit der Werkzeugspitze in freier Fahrt auf die Schraubstelle zu, bis der Mindestabstand fast verletzt wird. Der Roboter reduziert nun seine Geschwindigkeit um die Hälfte. Da der neue Mindesttrennabstand kleiner ist, kann sich der Roboter erneut der Schraubstelle annähern, bis der Mindesttrennabstand erreicht ist. Dieses Annähern wird so oft wiederholt, bis eine Grenzgeschwindigkeit von 20 mm/s erreicht wird. Von nun an wird die Geschwindigkeit konstant gehalten, der Trennabstand jedoch weiter verringert, bis die Werkzeugspitze bis auf 5 mm an die Schraubstelle herangefahren ist. An dieser Stelle wird das Sensorsignal ignoriert und der Schraubprozess gestartet. Sobald der Schraubprozess beendet ist, werden alle Geschwindigkeitsfelder analog zur Annäherung an die Schraubstelle in umgekehrter Reihenfolge durchlaufen, bis der Roboter wieder die maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Damit dieser Prozess nicht zu komplex wird, ist an dieser Stelle angeraten, eine geeignete Anzahl von Geschwindigkeitsfeldern zu wählen. Dieser Ablauf ist aus 7 erkennbar.
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8 zeigt den Ultraschallsensor 28 mit den Sensorköpfen 34, welche an einem Kranz 48 gehalten sind. In Umfangsrichtung des Kranzes 48 sind die Sensorköpfe 34 vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet.
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9 zeigt den Roboter 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Von Zäunen befreit – Industrieroboter mit Ultraschall absichern”, erschienen im Magazin „atp Edition” im September 2011 auf den Seiten 52 bis 59 [0007]