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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter zum Handhaben von Lasten, umfassend einen Endeffektor, drei Aktuatoren, wobei jeder Aktuator zum Einleiten einer Bewegung mit einem einzelnen Freiheitsgrad ausgebildet ist, drei Arme, wobei jeder der Arme an einer Seite mit einem unterschiedlichen Aktuator drehbar verbunden ist und an der anderen Seite mit dem gemeinsamen Endeffektor drehbar verbunden ist, einen Rahmen, welcher die Aktuatoren trägt; und eine Steuereinheit, welche mit den Aktuatoren verbunden ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls eine Anordnung von mehreren dieser Roboter.
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Roboter dieses Typs sind ebenfalls bekannt als „Deltaroboter” und sind speziell zum Handhaben relativ leichter und kleiner Objekte bei einer hohen Geschwindigkeit ausgebildet. In industriellen Umgebungen wird von der Verwendung von Deltarobotern Gebrauch gemacht, um Produkte handzuhaben, zum Beispiel bei der Auswahl und beim Verpacken von Produkten. Normalerweise sind in solchen Fällen der Rahmen und die Aktuatoren, welche ebenfalls als die Basis des Roboters bezeichnet werden, oberhalb eines Arbeitsraumes montiert. Von den Aktuatoren erweitern sich drei Arme nach unten und an den Enden der Arme ist ein Manipulator gehalten. Der Manipulator wird auch als Endeffektor bezeichnet. Die Aktuatoren bewegen den Endeffektor über die Arme entlang der X-, Y- und Z-Richtung. Weil die Aktuatoren an dem Rahmen montiert sind und daher ortsfest sein können, können die Arme aus einem leichten Material, z. B. einem Verbundmaterial, hergestellt sein. Als Ergebnis hiervon kann der Roboter so konstruiert sein, dass die beweglichen Teile eine geringe Masse aufweisen. Dies ermöglicht, den Endeffektor mit hoher Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung zu bewegen. Ein solcher Deltaroboter ist zum Beispiel bekannt aus
US 2004/143876 .
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Ein solcher Roboter ist ebenfalls aus
WO 03/059581 bekannt, welche einen Industrieroboter zum Bewegen eines Objekts auf einer Plattform im Raum beschreibt. Der Roboter ist dazu mit drei drehbaren Armen versehen, wobei die Drehachse der drei Arme im Prinzip in derselben Ebene liegt. Eine solche Anordnung von Armen ermöglicht der Plattform in einem relativ kleinen Bereich bewegt zu werden.
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EP 1 125 693 beschreibt ein parallel-kinematisches System, um einen Endeffektor durch wenigstens zwei Aktuatoren zu bewegen. Die Aktuatoren von
EP 1 125 693 sind an einem Rahmen montiert, entlang welchem sich die Aktuatoren in vertikaler Richtung bewegen. Eine solche Anordnung ermöglicht einen Arbeitsbereich innerhalb des Rahmens.
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EP 2 517 841 beschreibt ein Gerät zum Bewegen und Aufstellen eines Teils im Raum. Das Gerät umfasst dazu einen Rahmen, entlang welchem zwei Aktuatoren gleiten können, und einen drehenden Aktuator, wobei Aktuatoren mit dem Teil verbunden sind, um das Teil im Raum zu bewegen. Der vertikal ausgerichtete Rahmen begrenzt den Bereich, in welchem das Teil aufgestellt werden kann, weil die zwei gleitenden Aktuatoren nur in vertikaler Richtung bewegt werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Roboter des Deltatyps vorzuschlagen, welcher effizienter als die Deltaroboter des Standes der Technik verwendet werden kann, während wenigstens die Effektivität der Deltatyp-Roboter des Standes der Technik beibehalten wird.
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Um die bessere Effizienz zu erreichen, sieht die Erfindung einen Roboter zum Transportieren von Lasten vor, welcher einen Endeffektor, drei Aktuatoren, wobei jeder Aktuator zum Einleiten einer Bewegung mit einem einzelnen Freiheitsgrad ausgestaltet ist, drei Arme, wobei jeder der Arme an einer Seite mit einem unterschiedlichen Aktuator drehbar verbunden ist und an der anderen Seite mit dem gemeinsamen Endeffektor drehbar verbunden ist, und einen Rahmen, welcher die Aktuatoren trägt, und eine Steuereinheit umfasst, welche mit den Aktuatoren verbunden ist, wobei wenigstens zwei der Aktuatoren Drehaktuatoren sind, welche derart mit dem Rahmen verbunden sind, dass ihre Bewegungsachsen im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Bewegungsachse von einem der Aktuatoren außerhalb und nicht parallel zu einer Ebene durch die im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen der anderen Aktuatoren liegt. Traditionell sind die Aktuatoren in einer Dreieckseinstellung mit gleichen Winkeln zwischen den Bewegungsachsen der drei Aktuatoren aufgestellt. Ein Vorteil der Roboterkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass sich der Arbeitsbereich, welcher ebenfalls als der „Betriebsraum” bezeichnet wird, des Endeffektors verglichen mit den Robotern dieses Typs vom Stand der Technik ändert. Anstelle des Arbeitsbereichs des Endeffektors, welcher eine kreisförmige Projektion auf eine Arbeitsfläche aufweist, weist der vergleichbare Arbeitsbereich des Endeffektors des Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung eine ovale Form auf. Im Einzelnen weist die Arbeitsfläche in dieser Hinsicht bei einer bestimmten Ausführungsform parallel zu der Ebene durch die im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen eine ovale Form auf. In der Praxis sind solche oval geformten Arbeitsbereiche des Endeffektors oft geeigneter für die Zwecke, für welche der Roboter verwendet wird. In der Praxis werden z. B. diese Roboter oft zum Aufnehmen von Artikeln von einem Förderband und Bewegen dieser seitwärts, um sie in oder auf einem Produktträger wie zum Beispiel einer Verpackung abzusetzen. Ein solches Transportieren erfordert einen Arbeitsbereich, welcher üblicherweise breiter ist als lang (verglichen zum Beispiel mit dem vorgenannten Förderband). Mehr noch: Der Arbeitsbereich des Transportierens, welcher sich idealerweise im Zentrum des Ovals befindet, ist größer (höher) als in den Randbereichen des Ovals. Der Roboter gemäß der vorliegenden Erfindung passt für solche Transportanforderungen besser als die Roboter dieses Typs vom Stand der Technik.
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Die Aktuatoren mit parallelen Bewegungsachsen sind Drehaktuatoren mit oder ohne Reduktionen (Direktantrieb) und die Arme, welche mit den Drehaktuatoren verbunden sind, können mit einem Abstand von einer Drehachse mit den Aktuatoren drehbar verbunden sein.
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Die Bewegungsachse von einem der Aktuatoren liegt außerhalb einer Ebene durch die im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen von zwei der anderen Aktuatoren. Da bei den traditionellen Robotern die Manipulatoren in einer gemeinsamen Ebene aufgestellt waren, ermöglicht die vorliegende Erfindung ebenfalls zum Beispiel, einen Manipulator (im Besonderen der Manipulator mit der nicht parallelen Bewegungsachse oberhalb oder unterhalb der anderen zwei Manipulatoren mit den im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen anzusetzen. Dies verbessert ferner die Kompaktheit eines Aufbaus und ermöglicht eine enge Anordnung von mehreren dieser Roboter. In einem solchen Aufbau wird der Abstand der Aktuatoren mit den im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen zu dem Endeffektor verschieden von dem Abstand des dritten Aktuators zu dem Endeffektor sein. In dem Fall, dass der dritte Manipulator oberhalb der zwei Manipulatoren mit im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen aufgestellt ist, werden die zwei Aktuatoren mit den im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen näher an dem Endeffektor sein als der dritte Aktuator, so dass damit ebenfalls die Arme, welche die zwei Manipulatoren mit im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen verbinden, kürzer sein werden als der Arm des dritten („nicht parallelen”) Manipulators.
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Ein weiterer Vorteil des Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die bestimmte Ausrichtung der Manipulatoren des Roboters eine kompaktere Anordnung der kombinierten Manipulatoren ermöglicht. Anstelle der traditionellen dreieckigen Ausrichtung sind nun ebenfalls andere Aufbauten möglich, welche in einer oder mehreren Richtungen abhängig von der bestimmten Anforderung, in welcher der Roboter zu verwenden ist, kompakt sein können. Die Änderung im Arbeitsbereich und die Änderung in den Möglichkeiten zur Anordnung der Manipulatoren ermöglicht ebenfalls eine andere (kompaktere) Anordnung von mehreren zusammenwirkenden Robotern. Dies wird später detaillierter erläutert.
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In einer noch weiteren Ausführungsform zum Steuern der Ausrichtung des Endeffektors ist wenigstens einer der Aktuatoren mit Doppelarmen mit dem Endeffektor verbunden. Eine Verwendung von Parallelogrammen bei Armen, welche einen oder mehrere der Manipulatoren mit dem Endeffektor verbinden, ermöglicht die Ausrichtung des Endeffektors beizubehalten, z. B. um ihn in einer horizontalen Ausrichtung zu halten. Die Verwendung von Parallelogrammen ermöglicht ebenfalls, die Bewegung des Endeffektors auf eine reine Translation, demnach auch ohne Ausrichtungen, zu beschränken. Die Arme können mittels universeller Verbindungen mit dem Endeffektor verbunden sein.
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Die Aktuatoren mit deren Bewegungsachsen im Wesentlichen parallel zueinander sind idealerweise vollständig parallel zueinander, aber die angestrebte Wirkung kann größtenteils auch erreicht werden, wenn der von den im Wesentlichen parallelen Bewegungsachsen von zwei der Aktuatoren eingeschlossene Winkel in der Spanne von 0°–20°, vorzugsweise in der Spanne von 0°–15°, ist.
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Der Endeffektor ist normalerweise mit einem Handhabungselement versehen. Die Wahl des bestimmten Typs von Handhabungselement ist abhängig von den erforderlichen Handhabungsspezifikationen. Das Handhabungselement kann ein passives Element (z. B. ein Ausstoßer) sein, aber es ist ebenfalls möglich, dass der Endeffektor ein aktives Handhabungselement (z. B. ein Greifer) trägt, welcher getrennt, vorzugsweise ebenfalls durch die Steuereinheit, gesteuert ist. Um eine solche unabhängige Steuerung zu erreichen, kann eine drahtlose Steuerung verwendet werden, aber es kann auch eine verdrahtete Steuerleitung, welche mit dem Endeffektor verbunden ist, verwendet werden.
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Die Erfindung sieht ebenfalls eine Anordnung von mehreren Robotern, wie oben beschrieben, vor, wobei die Roboter so zusammen aufgestellt sind, dass der Arbeitsbereich ihrer Arme und/oder Endeffektoren (Handhabungselemente) überlappend oder getrennt voneinander ist. Die kombinierten Roboter können in einer solchen Ausführungsform als ein modulares Handhabungssystem betrachtet werden, welches auf ein Handhabungsvermögen, damit eine Anzahl von Robotern, erweitert werden kann, wie es bei einer bestimmten Situation erforderlich ist. Um zu verhindern, dass die Arme und/oder Endeffektoren der Roboter zusammenstoßen (sogar wenn sie zentral gesteuert werden), können diese Arme und/oder Endeffektoren (Handhabungselemente) derart getrennt voneinander sein, dass sie sich niemals berühren, sich ihre Arbeitsbereiche nicht überlappen. Um die Anordnung von Robotern so kompakt wie möglich zu machen, ist der Abstand der Arbeitsbereiche der Arme und/oder Endeffektoren (Handhabungselemente) von zwei nebeneinander liegenden Robotern geringer als 0,1 m, vorzugsweise geringer als 0,05 m.
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Wenn der Arbeitsbereich von ihren Armen und/oder Endeffektoren (Handhabungselementen) überlappt, kann eine zentrale Steuerung so verwendet werden, dass die Arme und/oder Endeffektoren während Verwendung nicht zusammenstoßen.
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In einer bestimmten Ausführungsform umfasst die Anordnung von Robotern ebenfalls wenigstens eine Fördereinrichtung und die Roboter sind oberhalb und ausgerichtet mit wenigstens einem Förderband aufgestellt. Bei einer solchen Verwenden von einem bestimmten Teil der Fördereinrichtung (z. B. einer Bandfördereinrichtung), wie oben, bewerkstelligt; das Transportvermögen der Roboteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann höher sein als das Transportvermögen einer Roboteranordnung gemäß dem Stand der Technik. Wenn verglichen mit der Roboteranordnung des Standes der Technik das gleiche Transportvermögen erforderlich ist, kann dies ebenfalls mit derselben Zahl von Robotern erzielt werden, wobei jeder Roboter verglichen mit dem Roboter des Standes der Technik weniger Raum erfordert. Daher ergibt sich eine Verringerung der Grundfläche der Roboteranordnung.
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Die vorliegende Erfindung wird weiter auf der Basis der nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform erläutert, die in den nachfolgenden Figuren gezeigt ist. Hier zeigt/zeigen:
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1A eine Perspektivansicht eines Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung;
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1B eine Seitenansicht des Roboters von 1;
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2 eine Perspektivansicht eines Teils des Roboters, wie in 1 gezeigt, aus einer anderen Sicht;
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3A–3G schematische Ansichten auf die Ausrichtung der Aktuatoren eines Roboters gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 eine schematische Draufsicht einer Anordnung von Robotern gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine schematische Draufsicht einer Anordnung von Robotern verglichen mit den Robotern des Standes der Technik.
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1A zeigt einen Deltaroboter 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit drei Drehaktuatoren 2, 3, 4, welche an einem Roboterrahmen 5 montiert sind. Die Drehantriebe 2, 3, 4 weisen alle einen Hebel 6 auf, welcher gedreht wird zum Ändern der Position der Doppelarme 7, 8, 9, die mit diesen Hebeln 6 verbunden sind. Die Doppelarme 7, 8, 9 sind alle mit einem Endeffektor 10 verbunden. Die Arme 7, 8, 9 sind alle doppelt konstruiert, da dies ermöglicht, nicht nur die Position zu steuern, sondern ebenfalls die Ausrichtung des Endeffektors 10. Der Endeffektor 10 ist hier ausgeführt als eine Plattform. Wie ebenfalls in 2 dargestellt, sind die Drehaktuatoren 2 und 3 derart mit dem Rahmen 5 verbunden, dass ihre Bewegungsachsen 11, 12 parallel zueinander sind. Die parallelen Bewegungsachsen 11, 12 von zwei der Aktuatoren 2, 3 ergeben einen Arbeitsbereich 13 des Endeffektors 10, welcher eine ovale Form aufweist.
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1B zeigt den Deltaroboter 1, wobei der Arbeitsbereich 13, welcher ebenfalls als der „Arbeitsraum” bezeichnet wird, des Endeffektors 10 ferner angegeben ist. Die ovale Form, wie in 1A gezeigt, reduziert sich in der Größe, wenn der Effektor 10 weiter unten ist, wie durch den sich verjüngenden Arbeitsbereich 20 angedeutet.
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Ferner ist die Aufmerksamkeit auf die Position des dritten Drehaktuators 4 gerichtet, welcher sich oberhalb der „parallelen” unteren Drehaktuatoren 2, 3 befindet. Eine solche Positionierung des Aktuators 4 ermöglicht einen kompakten Aufbau der Rahmen/Aktuator-Anordnung 2, 3, 4, 5. Eine Bewegungsachse 13 des oberen Drehaktuators 4 schneidet die Bewegungsachsen 11, 12 der beiden unteren Aktuatoren 2, 3 orthogonal. Die Arme 7, 8, welche mit den zwei unteren Aktuatoren 2, 3 verbunden sind, sind kürzer als die Arme 9, welche mit dem oberen Aktuator 4 verbunden sind.
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3A zeigt eine schematische Ansicht auf die Ausrichtung der Aktuatoren 2, 3, 4 des Roboters 1, wie in den 1 und 2 gezeigt. Die Bewegungsachsen 11, 12, 13 der Aktuatoren 2, 3, 4 sind ebenfalls in dieser Figur gezeigt.
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In Übereinstimmung mit der schematischen Ansicht von 3A ist in 3B eine schematische Ansicht auf eine alternative Ausrichtung von Aktuatoren 30, 31, 32 mit Bewegungsachsen 33, 34, 35 gezeigt. Die Bewegungsachsen 33, 34 der Aktuatoren 30, 31 sind hier parallel, wobei nun aber die Bewegungsachse 35 des Aktuators 32 die Bewegungsachsen 33, 34 der Aktuatoren 30, 31 kreuzt. Die Aktuatoren 30, 31, 32 sind alle auf einer einzelnen Ebene aufgestellt. Diese erste alternative Einstellung der Aktuatoren 30, 31, 32 ist ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung. Eine Wahl der Ausrichtung, wie in dieser Figur gezeigt, kann zum Beispiel in dem Fall getroffen werden, wo begrenzter Raum in der Höhe an dem Ort vorhanden ist, an dem ein Deltaroboter aufzustellen ist, aber trotzdem nach den Vorteilen der vorliegenden Erfindung verlangt wird.
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In 3C ist eine zweite alternative Ausrichtung von Aktuatoren 40, 41, 42 mit Bewegungsachsen 43, 44, 45 gezeigt. Die Bewegungsachsen 43, 44 der Aktuatoren 40, 41 sind hier ausgerichtet aufgestellt (und sind damit auch parallel). Die Bewegungsachse 45 des Aktuators 42 kreuzt die Bewegungsachsen 43, 44 der Aktuatoren 40, 41.
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In 3D ist eine dritte alternative Ausrichtung von Aktuatoren 50, 51, 52 mit Bewegungsachsen 53, 54, 55 gezeigt. Die Bewegungsachsen 53, 54 der Aktuatoren 50, 51 sind hier im Wesentlichen ausgerichtet aufgestellt (und sind damit auch im Wesentlichen parallel). Der von den Bewegungsachsen 53, 54 der Aktuatoren 50, 51 eingeschlossene Winkel ist geringer als 20°, vorzugsweise geringer als 15°, noch vorzugsweiser geringer als 10°.
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In 3E ist eine vierte alternative Ausrichtung von Aktuatoren 500, 501, 502 mit Bewegungsachsen 503, 504, 505 gezeigt. Die Bewegungsachsen 503, 505 der Aktuatoren 500, 502 sind hier im Wesentlichen ausgerichtet aufgestellt (und sind damit auch im Wesentlichen parallel). Der von den Bewegungsachsen 503, 505 der Aktuatoren 500, 502 eingeschlossene Winkel ist geringer als 20°, vorzugsweise geringer als 15°, noch vorzugsweiser geringer als 10°.
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In 3F ist ein Roboter gemäß der Erfindung gezeigt, wobei die Aktuatoren zwei Drehaktuatoren (510, 511) mit deren Bewegungsachsen (512, 513) im Wesentlichen parallel und einen linearen Aktuator (514) umfassen. Die Verwendung von linearen Aktuatoren kann Platz sparen, was in der Möglichkeit zum Aufstellen mehrerer Roboter enger zusammen resultiert.
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3G offenbart einen Roboter gemäß der Erfindung, wobei die Aktuatoren zwei lineare Aktuatoren (520, 521), deren Bewegungsachsen (522, 523) im Wesentlichen parallel zueinander sind, und einen Drehaktuator (524) umfassen. Die Verwendung von linearen Aktuatoren kann Platz sparen, was in der Möglichkeit zum Aufstellen mehrerer Roboter enger zusammen resultiert.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht einer Anordnung von Robotern 60, 61, 62, 63 gemäß der vorliegenden Erfindung, deren Arbeitsbereiche 64, 65, 66, 67 voneinander getrennt sind. Die Roboter 60, 61, 62, 63 befinden sich oberhalb von zwei Förderbändern 68, 69, welche sich in die Richtung bewegen, die durch Pfeile P1, P2 angegeben ist. Auf der Fördereinrichtung 68 werden einzelne Produkte 70 zugeführt und die aufeinanderfolgenden Roboter 60, 61, 62, 63 nehmen einzelne Produkte 70 von dem Förderband 68 auf und platzieren diese einzelnen Produkte 70 in Verpackungen 71, welche durch das Förderband leer zugeführt sind, um nach Durchgang durch die vollständige Anordnung von Robotern 60, 61, 62, 63 mit den einzelnen Produkten 70 gefüllt zu sein. Weil die Arbeitsbereiche 64, 65, 66, 67 der Roboter 60, 61, 62, 63 getrennt voneinander sind, besteht nicht die Möglichkeit von unerwünschter Behinderung der Roboter 60, 61, 62, 63. Es ist ebenfalls schematisch eine gemeinsame Steuereinheit 72 gezeigt, welche die Roboter 60, 61, 62, 63 lenkt.
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5 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung von Robotern 80, 81, 82, 83 gemäß dem Stand der Technik und einer Anordnung von Robotern 84, 85, 86, 87 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche oberhalb von zwei Förderbändern 88, 89 aufgestellt sind. Die effektive Aufstellung der Roboter der vorliegenden Erfindung reduziert die erforderliche Grundfläche in der Fabrik, wie durch den Unterscheid zwischen X und Y angedeutet, während das Transportvermögen der Anordnung beibehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/143876 [0002]
- WO 03/059581 [0003]
- EP 1125693 [0004, 0004]
- EP 2517841 [0005]
