DE4203841A1 - Selbstfahrender roboter-transportkarren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbstfahrenden Roboter-Trans­ portkarren, im besonderen einen selbstfahrenden Transport­ karren, auf den ein Roboter aufgesetzt ist, der auf diese Weise in der Lage ist, sich an einer Arbeitsstätte entlang vorbestimmten Bahnen zu bewegen, um eine Anzahl von wiederhol­ baren Operationen mit der für diese Art von Maschinen typi­ schen Präzision auszuführen. Ein Roboter, der in solcher Weise ausgebildet ist, daß der von ihm in Anspruch genommene Raumaufwand verringert und die Zahl der im allgemeinen für solche Arten von Maschinen möglichen Bewegungen erhöht wird, ist an einem selbstfahrenden Transportkarren ange­ bracht. Das Ergebnis ist eine vollautomatische Einheit, die sich entlang programmierten Bahnen bewegt und anhalten kann, um die gewünschten Arbeitsoperationen auszuführen.

Es gibt viele Industriezweige, die automatische Maschinen, insbesondere Roboter, verwenden, um wiederholbare Aufgaben zu lösen, Arbeiten in gefährlicher Umgebung durchzuführen oder Arbeitsoperationen auszuführen, die einen hohen Präzi­ sionsgrad erfordern, der von Hand nicht erreicht werden kann. Solche Roboter und Manipulatoren oder Handhabungs­ geräte sind als solche bekannt, sie wurden jedoch immer in feststehenden oder halbwegs feststehenden Positionen verwendet; allenfalls sind sie an Führungen gelagert, die begrenzte Bewegungen im allgemeinen zwischen zwei gegebenen Positionen erlauben.

Es sind selbstfahrende Transportkarren bekannt, die auto­ matisch eine Anzahl von Spuren oder Gleisen folgen können, die entlang ihrer Bahn vorgelegt worden sind, solche Trans­ portkarren können unabhängig entscheiden, welcher Spur sie folgen wollen, abhängig von der Art der Arbeit oder der Aufgabe, die durchgeführt bzw. gelöst werden soll. So z. B. können manche bekannten Transportkarren einer Spur oder Bahn folgen, die aus einem Kabel bestehen, das unter dem Boden verlegt worden ist, und entlang dem ein Signal wandert, während andere Transportkarren optisch eine Spur oder Bahn detektieren oder erfühlen können, die am Boden aufgezeichnet ist, sie können sich dann entlang dem Zentrum oder der Mittellinie dieser Spur oder Bahn bewegen. Solche Transportkarren werden im allgemeinen AGV im technischen Sprachgebrauch genannt, und dieser Ausdruck soll im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung verwendet werden.

Es scheint aber so zu sein, daß Roboter und Manipulatoren bzw. Handhabungsgeräte, die an AGV-Transportkarren ange­ bracht bzw. montiert sind, die sich über größere Abstände entlang verschiedenen Wegen bewegen können, um eine gegebene Anzahl von Arbeitsoperationen auszuführen, nicht bekannt sind.

Es besteht jedoch ein Bedürfnis für solche Gerätschaften in vielen Industriezweigen, z. B. in der Weiterverarbeitungs­ industrie od. dgl., jedoch ist die Konstruktion solcher Gerätschaften mit zahlreichen größeren Problemen verbunden. So z. B. ist es notwendig, jede Unebenheit im Boden oder der Fahrunterlage auszugleichen, so daß der Roboter sich mit der gewünschten Präzision positionieren kann; ein anderes Problem besteht darin, daß es schwierig ist, einen Roboter zu konstruieren, der kompakt genug ist, um an einem AGV normaler Größe montiert zu werden, wenn alle notwendigen Bewegungen und die notwendige Präzision beibehalten werden sollen.

Um die obigen Aufgaben zu lösen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Fahrgestell bzw. das Chassis des Transportkarrens eine hohe Torsions-Flexibilität bzw. Biegsamkeit besitzt, die es dem Transportkarren ermöglicht, sich Unebenheiten des Bodens bzw. der Fahrunterlage anzu­ passen. Die Erfindung schlägt also einen Roboter an einem selbstfahrenden Transportkarren vor, bei dem das Chassis bzw. Fahrgestell des Transportkarrens so ausgebildet ist, daß es sich Unebenheiten im Boden bzw. in der Fahrunterlage anpassen kann, wobei die Antriebsräder an Halteplatten angebracht sind, die am Chassis angelenkt sind und der Wirkung von federnden Elementen unterworfen sind, welche diese Räder gegen den Boden andrücken, um auf diese Weise die nötige Griffigkeit zu erzielen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung gemäß der Erfindung in einer schema­ tischen perspektivischen Darstellung;

Fig. 2 das Chassis oder Fahrgestell des selbstfahrenden Transportkarrens in einer Draufsicht;

Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 2 in einem Schnitt gemäß der Linie A-A der Fig. 2,

Fig. 4 und 5 jeweils den Träger des Roboters in einer Drauf­ sicht bzw. in einem senkrechten Schnitt;

Fig. 6 den Roboter in einer Vorderansicht;

Fig. 7 das Außenende des Roboterarms in einem schemati­ schen Querschnitt;

Fig. 8 Bewegungen des Roboters gemäß der Erfindung in einer schematischen Ansicht.

Fig. 2 zeigt das Fahrgestell des Transportkarrens, das in Draufsicht zwei Räume 1 und 2 aufweist, diese Räume, welche die Elektronikeinrichtungen des Roboters und die Batteriegruppen enthalten und beherbergen, sind durch einen zentralen Abschnitt verbunden, an dem der Roboter aufgesetzt ist. Der zentrale Abschnitt 3 ist schmäler als die Seiten­ abschnitte, um auf diese Weise die Arme des Roboters beweg­ licher zu machen.

Das mit sechs Rädern versehene Chassis oder Fahrgestell das aus geschweißten Stahlteilen od. dgl. besteht, ist mit einem niedrigen Torsions-Widerstand ausgebildet, damit auf diese Weise sichergestellt wird, daß jedes Rad fest auf dem Boden oder der Fahrunterlage aufliegt. Im besonderen ist das Fahrgestell so ausgebildet, daß eine Überlast von etwa 100 kg auf eine seiner Ecken ausreicht, damit diese um etwa 1 cm infolge der Torsion absinkt.

Von den Rädern sind zwei Räder als Antriebsräder 4 ausge­ bildet, die in einer zentralen Stellung angeordnet sind, außerdem sind zwei Paare von schwenkbaren Rädern 5 vorge­ sehen, die zu beiden Seiten der beiden erstgenannten Räder angeordnet sind. Die zentralen Räder 4, die als kraftge­ triebene Räder mit Bremsen ausgebildet sind, sind jeweils an einer Halteplatte oder Plattform 6 angebracht, die am Fahrgestell oder Chassis an Stellen 7 angelenkt ist und an der gegenüberliegenden Seite der Wirkung eines Paares von Federn 8 an zwei Zugstangen ausgesetzt ist, die am freien Ende der Platte angelenkt sind. Die Federn 8 werden so ausgewählt, daß sie während der Verstellbewegungen gegenüber der Größenordnung, die derjenigen der von der Halteplatte durch­ geführten Bewegungen entspricht, nur eine geringe Variation der Last aufweisen, so daß die den Rädern übermittelte Belastung sich nicht in großem Umfange ändert. Um sicher­ zustellen, daß die Räder am Boden oder der Fahrunterlage in ausreichend starkem Maße angreifen, werden die Federn so gewählt, daß die Antriebsräder mit dem größten Teil des Gewichts des AGV (etwa 80-90 %) belastet werden. Jedoch wird diese Belastung auf der Grundlage des Leer­ gewichts des AGV errechnet. Wenn die Belastung auf den Transportkarren erhöht wird, steigt auch die den Bremsen ent­ gegenwirkende Trägheitskraft, während die Kraft, mit der die Antriebs- und Bremsräder an den Boden gedrückt werden, die durch die Spannung der Federn 8 bewirkt wird, konstant bleibt. Dann tritt das Problem der Bremsung des Fahrzeugs effektiv auf, also das Problem, wie man eine wirksame Bremsung erreicht. Zu diesem Zweck ist die Geometrie der Halte­ platte 6 so gestaltet, daß die Resultierende der Reibungs­ kraft zwischen dem Rad und dem Boden oder der Fahrunterlage einerseits und der durch die Federn 8 ausgeübten Kraft andererseits nicht durch den Anlenkpunkt 7, sondern durch einen tiefer liegenden Punkt hindurchgeht, so daß, wenn der Transportkarren gebremst wird, die Halteplatte 6 das Bestreben hat, sich in Richtung des Pfeiles A in Fig. 3 zu drehen, wobei man die Trägheitskraft der gebremsten Massen ausnutzt, um das Rad noch fester und stärker an den Boden oder die Fahrunterlage anzupressen. Die Tatsache, daß die direkt mit dem Motor verbundenen und in einer zen­ tralen Stellung angeordneten Räder auf diese Weise wirksam gebremst werden können, bringt es mit sich, daß es nunmehr nicht notwendig ist, Bewegungsübertragungsvorrichtungen oder doppelte Brems-Kreisläufe vorzusehen, die bei seit­ lichen Antriebs- und/oder Bremsrädern notwendig werden.

Im zentralen Abschnitt des AGV ist ein Träger 24 vorgesehen, an dem der Körper 26 des Roboters über ein Drucklager 25 angeordnet ist. Im mittleren Bereich des Trägers 24 ist ein festgelegtes Zahnkranz-Rad 27 vorgesehen. Über ein geeignetes Getriebe betätigt der Motor 28 ein Zahnrad, das mit dem Zahnkranz-Rad 27 eingreift, um den Körper des Roboters um seine eigene Achse zu drehen. Unterhalb des Zahnkranz-Rades 27 ist ein Ring 32 mit einem Arm 32′ vorge­ sehen, der in eine Nut 33 an der Seite des Trägers 24 ein­ greift. Demzufolge kann der Ring 32 begrenzte Drehbewegungen um die Achse des Trägers und des Roboters ausführen, deren Umfang von der Größe der Nut 33 abhängt. Der Körper des Roboters ist mit einem Arm od. dgl. 34 versehen, der nach unten vorsteht und während der Drehung des Roboters mit dem Arm 32′ des Ringes 32 interferiert. Der Körper 26 des Roboters ist mit einem ersten Arm 35 und mit einem zweiten Arm 36 (Fig. 5, 8) versehen, der mit einem Werkzeugkopf 37 ausgerüstet ist. Ein Motor 38 am Träger 24 steuert die Drehbewegungen des ersten Armes 35 um seine eigene Achse; über einen Riemen 39 dreht dieser Motor eine Riemenscheibe 40, die mit dem Arm 35 über ein Untersetzungsgetriebe 41 verbunden ist. Eine zweite, kleinere Riemenscheibe 42, die mit der Riemenscheibe 40 fest verbunden ist bzw. inte­ gral besteht, ist über einen Präzisionsriemen mit der Riemen­ scheibe eines Encoders 43 oder einer Codiervorrichtung (Fig. 6) verbunden. Ein zweiter Motor 44 ist in der gleichen Weise mit einem Untersetzungsgetriebe 45 verbunden, das an der gegenüberliegenden Seite des Arms 35 angeordnet ist; dieses Untersetzungsgetriebe betätigt einen konzen­ trischen Stift 46, an dem eine Kurbelstange 47 angebracht ist. Eine an dieser Kurbelstange 47 angelenkte Verbindungs­ stange 48 (Fig. 6) überträgt die Bewegung auf den Arm 36. Der Werkzeugkopf 37, der mit dem Arm 36 verbunden ist, kann sich um die Achse dieses Armes über mehr als 360° drehen.

Das sich hierbei ergebende Problem ist die Verdrahtung zwischen dem Körper des Roboters und dem Werkzeugkopf mit den an diesem angebrachten Zubehörteilen. Etwa 50 bis 60 Kabel sind im allgemeinen mit einem Werkzeugkopf dieser Art verbunden, und dieses Problem ist schwierig zu lösen, weil die Verwendung von Schleifkontakten beträchtliche Abnutzungs- bzw. Reibungsprobleme mit sich bringt, während ein Satz von mehreren Dutzend Kabeln zu starr ist und zu viel Raum in Anspruch nimmt. Im Falle der Erfindung ist ein Stift 49 mit dem Werkzeugkopf 37 über einen Flansch verbunden; wenn der Werkzeugkopf angebracht wird, wird dieser Stift unmittelbar mit dem Untersetzungsgetriebe 50 gekuppelt. Der Stift 90 ist hohl, zumindest in der Nähe der Verbindung mit dem Werkzeugkopf. Der Werkzeugkopf 37 ist mit dem Arm 36 über Lager verbunden, während das Paket von elektrischen Kabeln, die spiralförmig gewunden sind, seinerseits um den Stift 49 herumgewickelt oder -gewunden wird. Der Satz von Kabeln ist auf diese Weise recht flexibel und gestattet dem Werkzeugkopf beliebige Bewegungen ohne besondere Probleme. Der Satz von Kabeln wird sodann zum Werkzeugkopf 37 durch eine Bohrung im Stift 49 hindurch­ geführt.

Bei der Benutzung bewegt sich der Transportkarren, an dem der Roboter sitzt, entlang den gewünschten Bahnen, indem er in bekannter Weise geführt wird.

Die Torsions-Flexibilität oder Biegsamkeit des Fahrgestells oder Chassis gestattet es dem Transportkarren, sich be­ liebigen Unebenheiten des Bodens oder der Fahrunterlage anzupassen, wobei alle Räder immer in Kontakt mit dem Boden sind, während die Antriebsräder, die an der Halteplatte 6 angebracht sind, die am Fahrgestell angelenkt ist, immer, ständig an der Fahrunterlage angedrückt werden, als Folge der Wirkung der von der Feder 8 über die Zugstange 9 ausge­ übten Kraft. Wenn der Transportkarren abgebremst wird, bewirkt die Resultierende der Kräfte, die auf das Rad 4 und die entsprechende Halteplatte 6 ausgeübt werden, daß die Halteplatte das Bestreben hat, sich nach unten zu drehen, wobei das Rad noch fester gegen den Boden oder die Fahr­ unterlage gedrückt wird, wobei man die Trägheitskraft des Transportkarrens auf diese Weise ausnutzt, um eine bessere Haftung des Bremsrades zu erzeugen.

Der Transportkarren kann auch mit keilförmigen, teleskop­ artigen Elementen versehen werden, die in entsprechende Aufnahmen eingepaßt sind, die an den Arbeitsstellen angeord­ net sind, um eine maximale Präzision in der Positionierung unabhängig von den Bedingungen der Fahrunterlage zu garan­ tieren.

Um die Flexibilität der Maschine zu erhöhen, soll die Anzahl der Bewegungen des Roboters so groß wie möglich sein. Jedoch steht diese Forderung in Konflikt mit der Notwendigkeit, mechanische Wegbegrenzungsanschläge vorzusehen, die die Bewegungen der Maschine anhalten, wenn die elektronischen Sicherheitsvorrichtungen schlecht arbeiten. Bei bekannten Maschinen beschränkt das Vorhandensein dieser mechanischen Endanschläge die Drehbewegungen der Maschine um die senk­ rechte Achse auf unter 360°. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist der Roboter gemäß der Erfindung mit einem Wegbegrenzungsanschlag, der durch den Arm 32′ dargestellt wird, versehen, der begrenzte Bewegungen durchführen kann und hierbei die Maschine in die Lage versetzt, sich um mehr als 360° zu drehen.

Die obige Anordnung ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Der Körper 26 des Roboters ist am Träger 24 angebracht, an dem ein mit der Welle des Motors 28 verbundenes Zahnrad eingreift. Der Motor kontrolliert und steuert demzufolge die Drehbewegungen des Roboters um eine senkrechte Achse, welche Drehbewegungen von einer Codiervorrichtung 31 über­ wacht werden, die mit dem festen Zahnrad 29 über das Präzi­ sionszahnrad 30 zusammenarbeitet. Der Arm 32′ dient als mechanischer Wegbegrenzungsanschlag für den Roboterkörper 26. Wenn der Roboterkörper eine vollständige Umdrehung ausführt, bewegt sich der Arm 32′, der durch den Stift 34 gedrückt wird, innerhalb der Nut 33, wobei dem Körper des Roboters gestattet wird, seine Drehbewegung fortzusetzen, bevor das Wegende erreicht wird, das durch die Endwand der Nut 33 gebildet wird. Als Ergebnis dieses Systems kann man den Roboter Drehbewegungen über 360° ausführen lassen, obwohl ein mechanischer Wegbegrenzungsanschlag zur Sicher­ heit vorgesehen ist.

Die Anordnung der Motoren 38 und 44 (Fig. 6) und ihrer Untersetzungsgetriebe 41 und 45 bringt es mit sich, daß der Roboter sehr kompakt ist und eine vollständige Beweg­ lichkeit innerhalb eines begrenzten Raumes mit einer sich hieraus ergebenden Verringerung des Umfangs oder der Größe des Transportkarrens gestattet wird. Die Tatsache, daß die zum Versehen des Werkzeugkopfs 37 mit Energie dienenden Kabel zusammen in einer Spirale herumgewunden sind, die ihrerseits um den Werkzeugkopfträger herumgewunden ist, macht die Anordnung besonders flexibel und bewirkt eine maximale Freiheit hinsichtlich der Bewegungen des Werkzeug­ kopfes.

Ein Fachmann könnte zahlreiche Änderungen und Variationen ersinnen, die jedoch noch innerhalb des Umfangs der vor­ liegenden Erfindung liegen.

Claims (9)

1. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fahrgestell bzw. Chassis des Transport­ karrens eine hohe Torsions-Flexibilität bzw. Biegsamkeit besitzt, die es dem Transportkarren ermöglicht, sich Un­ ebenheiten des Bodens bzw. der Fahrunterlage anzupassen.

2. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrgestell bzw. Chassis so gestaltet ist, daß durch eine Überlast von etwa 100 kg im Bereich einer seiner Ecken diese durch Torsion bzw. infolge Torsion um etwa 1 cm abgesenkt wird.

3. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs-/Ab­ bremsräder an Halteplatten angebracht sind, die am Fahr­ gestell bzw. Chassis angelenkt und der Wirkung von elasti­ schen bzw. federnden Organen unterworfen sind, die sie an den Boden bzw. die Fahrunterlage andrücken.

4. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen bzw. federnden Organe aus Federn bestehen, die den größten Teil des Leer­ gewichts des Transportkarrens auf die Antriebsräder über­ tragen, die an den beweglichen Halteplatten in solcher Weise angeordnet sind, daß die Resultierende aus der Reibungs­ kraft zwischen den Rädern und dem Boden bzw. der Fahrunter­ lage einerseits und der von den Federn ausgeübten Kraft andererseits durch einen Punkt hindurchgeht, der tiefer als der Anlenkpunkt liegt, so daß beim Abbremsen des Trans­ portkarrens die das Rad tragende Halteplatte bestrebt ist, sich zu drehen und die Räder noch stärker an den Boden anzudrücken.

5. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Roboters (26) drehbar an einem Träger (24) angeordnet ist, der mit einer in der Art eines mechanischen Endanschlags wirkenden Vorrichtung versehen ist, die so ausgebildet ist, daß begrenzte Bewegungen möglich sind, derart, daß Drehbewegungen des Roboters gestattet werden, die 360° oder mehr betragen.

6. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Roboters (26) drehbar an einem Träger (24) gelagert ist, dessen zentraler Bereich einerseits mit einem festgelegten Zahnrad (27), mit dem ein entsprechend gestaltetes Zahnrad ein­ greift, das von einem (28) der Motoren des Roboters betätigt wird, und andererseits mit einem festgelegten, mit dem Zahnrad (27) integralen Präzisionszahnrad (29) verbunden ist, das mit einem Zahnrad (30) eingreift, das mit einem Signalumformer, z. B. einer Codiereinrichtung, verbunden ist.

7. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegbegrenzungsarm (32′) vorgesehen ist, der an dem Träger (24) um dieselbe Achse wie der Körper des Roboters (26) drehbar gelagert ist und dessen Außenende in einen dem Umfang des Trägers (24) entlanglaufenden und sich nur über einen Teil dieses Umfangs erstreckenden Schlitz (33) eingreift, wobei seine Länge so groß ist, daß im Umfang begrenzte Drehbewegungen des Arms (32′) stattfinden können.

8. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Arme des Roboters betätigenden Motoren (38, 44) am Träger (24) des Körpers des Roboters angeordnet sind und über Zahnriemen (30) und Riemenscheiben (40) oder ähnliche Über­ tragungsglieder (45, 46, 47, 48) jeweils einen Arm (45, 36) des Roboters betätigen, wobei die Riemenscheiben und Über­ tragungsglieder jeweils mit einer Codiereinrichtung (Encoder) verbunden sind.

9. Selbstfahrender Roboter-Transportkarren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeug­ kopf (37) des Roboters mit dem entsprechenden Roboterarm (36) über einen hohlen Stift (49) verbunden ist, durch den die elektrischen Verbindungsleitungen zum Werkzeugkopf hindurchgeführt sind, die gebündelt sind und als Bündelung einige Male um den Arm herumgeschlungen sind.