DE102015223528A1

DE102015223528A1 - Parallelkinematik-Roboter mit mindestens einer Entlastungseinrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Parallelkinematik-Roboters

Info

Publication number: DE102015223528A1
Application number: DE102015223528.9A
Authority: DE
Inventors: Peter Zeiner; Kurt Perl
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Es ist ein Parallelkinematik-Roboter (1) zum Umgang mit Stückgütern und/oder Werkstücken offenbart. Der Parallelkinematik-Roboter (1) besitzt wenigstens ein Arbeitsinstrument (3) zum Bearbeiten und/oder Manipulieren mindestens eines Stückgutes und/oder Werkstücks. Weiter besitzt der Parallelkinematik-Roboter (1) mehrere Arbeitsarme (5), die an das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) mechanisch gekoppelt sind, so dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) durch eine gemeinsame Bewegung der mehreren Arbeitsarme (5) versetzt werden kann. Bestandteil des Parallelkinematik-Roboters (1) ist zudem eine Entlastungseinrichtung (8), welche mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument (3) in Verbindung steht, und zum zumindest anteiligen Aufnehmen einer Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) ausgebildet ist

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Parallelkinematik-Roboter mit mindestens einer Entlastungseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Parallelkinematik-Roboters.
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.
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.
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. In der Regel weisen alle Schwenkachsen zwei Schnittpunkte mit anderen Schwenkachsen auf.
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.
Die Praxis hat gezeigt, dass derartige Manipulatoren häufig eine große Masse aufweisen, weshalb Antriebe für die Arbeitsarme zum Positionieren des Manipulators notwendig sind, die eine hohe Leistung besitzen. Solche Antriebe sind teuer in der Anschaffung. Auch ist der Durchsatz derartiger Vorrichtungen häufig begrenzt, da der jeweilige Manipulator mit entsprechender Masse eine große Trägheit und Fliehkraft besitzt. Eine große Dimensionierung der Arbeitsarme ist zudem notwendig, um den aufgrund der Masse des Manipulators entstehenden Kräften entgegenwirken zu können. Auch kann es sein, dass mit der großen Masse des Manipulators frühzeitige Materialermüdungen an den Arbeitsarmen oder ggf. Gelenken und/oder Getrieben einhergehen, die in der Praxis unerwünscht sind.
Eine Aufgabe der Erfindung kann aus diesem Grunde darin gesehen werden, eine gattungsgemäße Vorrichtung sowie ein gattungsgemäßes Verfahren zur Verfügung zu stellen, die sich durch einen hohen Durchsatz, geringe Anschaffungskosten bzw. geringe Kosten bei Durchführung sowie geringe Verschleißerscheinungen auszeichnen. Die Vorrichtung soll zudem einen unkomplizierten Aufbau besitzen. Weiter soll das Verfahren einfach umgesetzt werden können.
Die obigen Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gelöst, welche die Merkmale in den Ansprüchen 1 und 13 umfassen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
Die Erfindung betrifft einen Parallelkinematik-Roboter zum Umgang mit Stückgütern und/oder Werkstücken. Der Parallelkinematik-Roboter umfasst wenigstens ein Arbeitsinstrument zum Bearbeiten und/oder Manipulieren mindestens eines Stückgutes und/oder Werkstücks. Beispielsweise kann das wenigstens eine Arbeitsinstrument durch eine Greif- und/oder Saugeinrichtung ausgebildet sein, um das jeweilige mindestens eine Stückgut entgegennehmen und manipulieren zu können. In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann das wenigstens eine Arbeitsinstrument zum Manipulieren wenigstens eines als Getränkebehältnis ausgebildeten Stückgutes vorgesehen sein.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Ausführungsformen beschränkt. So ist darüber hinaus denkbar, dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument beispielsweise als Schweißeinrichtung ausgebildet ist, um das jeweilige mindestens eine Stückgut bzw. Werkstück zu bearbeiten. Für den angesprochenen Fachmann ist klar, dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument durch weitere Werkzeuge bzw. Manipulatoren ausgebildet sein kann, die vorliegend nicht vollständig aufgezählt werden.
Weiter umfasst der Parallelkinematik-Roboter mehrere Arbeitsarme, die an das wenigstens eine Arbeitsinstrument mechanisch gekoppelt sind, so dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument durch eine gemeinsame bzw. aufeinander abgestimmte Bewegung der mehreren Arbeitsarme versetzt werden kann. In denkbaren Ausführungsformen kann der Parallelkinematik-Roboter genau drei Arbeitsarme besitzen, die an das wenigstens eine Arbeitsinstrument mechanisch gekoppelt sind. Darüber hinaus sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, bei welchen der Parallelkinematik-Roboter mehr als drei Arbeitsarme besitzt. Beispielsweise kann der Parallelkinematik-Roboter vier Arbeitsarme besitzen, wobei das wenigstens eine Arbeitsinstrument durch eine gemeinsame bzw. aufeinander abgestimmte Bewegung der vier Arbeitsarme um eine vertikal orientierte Achse gedreht werden kann.
Denkbar ist auch, dass der Parallelkinematik-Roboter eine untere Basis besitzt, an welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument hängend befestigt ist. Insbesondere kann das wenigstens eine Arbeitsinstrument drehfest an der Basis bzw. unteren Basis hängend befestigt sein. Die mehreren Arbeitsarme können jeweils gelenkig mit der unteren Basis in Verbindung stehen. Weiter können die mehreren Arbeitsarme einen unteren Armabschnitt und einen oberen Armabschnitt besitzen, wobei der untere Armabschnitt gelenkig mit der unteren Basis in Verbindung steht. Der untere Armabschnitt kann mindestens zwei parallel zueinander orientierte Gestänge umfassen. Der obere Armabschnitt eines jeweiligen Arbeitsarmes kann von einem Aktor drehend bewegt werden bzw. mechanisch und drehfest an einen Aktor gekoppelt sein. Weiter können der untere Armabschnitt und der obere Armabschnitt gelenkig miteinander in Verbindung stehen.
Die Aktoren der mehreren Arbeitsarme können zusammen mit den mehreren Arbeitsarmen an einer gemeinsamen oberen Aufhängung befestigt sein. Um die Bewegung der mehreren Arbeitsarme vorzugeben bzw. um die Aktoren der mehreren Arbeitsarme anzusteuern, kann der Parallelkinematik-Roboter eine Steuerungseinrichtung umfassen. Sofern der Parallelkinematik-Roboter, wie vorhergehend bereits erwähnt, vier Arbeitsarme besitzt, kann die Steuerungseinrichtung sowohl ein Versetzen des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes durch eine aufeinander abgestimmte Bewegung der vier Arbeitsarme als auch ein Drehen des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes um eine vertikale Achse durch eine aufeinander abgestimmte Bewegung der vier Arbeitsarme bewirken.
Der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter umfasst zudem mindestens eine Entlastungseinrichtung, welche mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument in Verbindung steht und zum zumindest anteiligen Aufnehmen einer Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes ausgebildet ist. Die mindestens eine Entlastungseinrichtung kann in bevorzugten Ausführungsformen dergestalt ausgebildet werden, dass die mindestens eine Entlastungseinrichtung eine Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes vollständig oder zumindest weitgehend vollständig aufnimmt bzw. trägt.
Unter Zuhilfenahme der mindestens einen Entlastungseinrichtung kann eine Belastung der mehreren Arbeitsarme somit reduziert werden. Weiter kann das wenigstens eine Arbeitsinstrument hierdurch mit Aktoren, die eine kleine Leistung besitzen, versetzt bzw. bewegt werden. Zudem wird die Beanspruchung von Gelenken der mehreren Arbeitsarme reduziert, so dass der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter eine lange Lebensdauer besitzt.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument über die mindestens eine Entlastungseinrichtung mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft beaufschlagbar ist. Mindestens eine Kraftkomponente, mit welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument durch die mindestens eine Entlastungseinrichtung beaufschlagt wird, kann somit in vertikaler Richtung nach oben weisen.
Vorstellbar ist hierbei, dass ein Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft wenigstens einer im Ruhezustand in Richtung nach unten wirkenden Gewichtskraft des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes entspricht. Weiter kann es sein, dass die mindestens eine Entlastungseinrichtung zur Beaufschlagung des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes mit einem durchgehend konstanten Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft bei einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme ausgebildet ist. Die mindestens eine Entlastungseinrichtung kann hierzu eine magnetische Feder umfassen, mittels welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft beaufschlagt wird. Die magnetische Feder kann einen Läufer und einen Stator umfassen, die in Längsrichtung relativ zueinander bewegbar sind und über Permanentmagnete federnd miteinander in Verbindung stehen. Die federnde Verbindung über Permanentmagnete kann dergestalt sein, dass das wenigsten eine Arbeitsinstrument über die magnetische Feder bei einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme durchgehend mit einem konstanten Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft beaufschlagbar ist. Sofern eine Energiezufuhr für die Arbeitsvorrichtung ungewollt unterbrochen wird, kann die magnetische Feder die Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes vollständig tragen und ggf. das wenigstens eine Arbeitsinstrument in Richtung nach oben ziehen, so dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument bei Fehlen einer Energiezufuhr nicht ungewollt mit einer Bodenfläche in Kontakt tritt und hierdurch ggf. beschädigt wird.
Weiter kann es sein, dass die mindestens eine Entlastungseinrichtung zwischen den mehreren Arbeitsarmen positioniert ist. Derartige Ausführungsformen haben sich bewährt, um den Parallelkinematik-Roboter möglichst platzsparend auszubilden. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass bei einer derartigen Positionierung das wenigstens eine Arbeitsinstrument im Bereich seines Schwerpunktes mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft beaufschlagbar ist.
Bei vorstellbaren Ausführungsformen kann das wenigstens eine Arbeitsinstrument ein oder mehrere Mittel zur Entgegennahme eines oder mehrerer Stückgüter aufweisen. Die mindestens eine Entlastungseinrichtung kann als Welle ausgebildet sein, die ggf. zwischen den mehreren Arbeitsarmen positioniert ist. Zudem kann vorgesehen sein, dass die als Welle ausgebildete Entlastungseinrichtung an die Mittel zur Entgegennahme eines oder mehrerer Stückgüter mechanisch gekoppelt ist, so dass die Mittel zur Entgegennahme über eine drehende Bewegung der als Welle ausgebildeten Entlastungseinrichtung ansteuerbar sind.
Zudem haben sich Ausführungsformen bewährt, bei welchen die mindestens eine Entlastungseinrichtung eine federnde Einheit umfasst, welche zum Aufnehmen der Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument in Verbindung steht. Die federnde Einheit kann über ein pneumatisches und/oder hydraulisches und/oder mechanisches Federungssystem verfügen, um die Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes aufzunehmen.
Weiter kann es sein, dass die federnde Einheit aus mindestens zwei entlang ihrer jeweiligen Längsrichtung relativ zueinander bewegbaren bzw. teleskopierbaren Abschnitten besteht. Die mindestens zwei Abschnitte können entlang ihrer Längsrichtung miteinander fluchten bzw. konzentrisch zueinander orientiert sein. Die mindestens zwei Abschnitte können federnd miteinander in Verbindung stehen bzw. gemeinsam eine federnde Einheit ausbilden, welche zum Aufnahmen der Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument in Verbindung steht.
Zudem kann es sein, dass ein erster der mindestens zwei Abschnitte mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument in Verbindung steht und ein zweiter der mindestens zwei Abschnitte an einer oberen Aufhängung des Parallelkinematik-Roboters befestigt ist. Der erste Abschnitt kann gelenkig an der vorherig bereits beschriebenen Basis befestigt sein. Der zweite Abschnitt kann gelenkig mit der oberen Aufhängung befestigt sein.
Zudem ist denkbar, dass die mindestens eine Entlastungseinrichtung ein strangförmiges flexibles Zugelement umfasst, wobei ein freier Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument in Verbindung steht und wobei ein gegenüberliegender freier Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes an ein Gegengewicht gekoppelt ist. Das strangförmige flexible Zugelement kann beispielsweise durch mindestens ein Seil ausgebildet sein.
Das strangförmige flexible Zugelement kann über mindestens eine und vorzugsweise mehrere Umlenkungen geführt sein. Die mindestens eine Umlenkung kann als mindestens eine Umlenkrolle ausgebildet sein. Die mindestens eine Umlenkrolle kann entlang ihres Umfangsverlaufs mindestens eine Nut ausbilden, in welcher das strangförmige flexible Zugelement formschlüssig aufgenommen ist. In bevorzugten Ausführungsformen können mindestens zwei Umlenkrollen vorgesehen sein, welche derart positioniert sind, dass das strangförmige flexible Zugelement in einem ersten Bereich zumindest näherungsweise horizontal geführt ist und in einem zweiten Bereich, welcher unmittelbar an den ersten Bereich anschließt, eine vertikale Orientierung besitzt. Der zweite Bereich kann den freien Endbereich umfassen, an welchem das Gegengewicht befestigt ist.
Vorstellbar ist zudem, dass das strangförmige flexible Zugelement eine obere Aufhängung, an welcher die mehreren Arbeitsarme hängend befestigt sind, durchsetzt. Hierzu kann die obere Aufhängung eine Aussparung besitzen, durch welche das flexible Zugelement hindurchtritt. Die Aussparung kann kreisrund ausgebildet sein.
Bewährt haben sich in der Praxis zudem Ausführungsformen, bei welchen eine Masse des Gegengewichtes mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 80% einer Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes in einem Ruhezustand der mehreren Arbeitsarme beträgt. Der Begriff „Gegengewicht“ ist in vorliegender Patentanmeldung breit zu verstehen, so dass das Gegengewicht beispielsweise durch mindestens eine mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Feder bereitgestellt werden kann, die mit einem freien Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes in Verbindung steht. In weiteren Ausführungsformen ist das Gegengewicht als Einheit ausgebildet, die hängend und frei schwebend an einem freien Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes befestigt ist.
In weiteren Ausführungsformen kann der Parallelkinematik-Roboter eine Steuerungseinrichtung umfassen, welche mit der mindestens einen Entlastungeinrichtung in Verbindung steht, wobei über die Steuerungseinrichtung ein Betrag der Zugkraft, mit welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument beaufschlagbar ist, während einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme flexibel angepasst werden kann. Hierzu können Informationen auf der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein, unter Berücksichtigung welcher Informationen die Steuerungseinrichtung den Betrag der Zugkraft, mit welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument beaufschlagbar ist, über den Zeitverlauf während einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme bzw. während einer Bewegung des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes flexibel anpassen kann.
Auch ist vorstellbar, dass die Steuerungseinrichtung eine Benutzerschnittstelle umfasst, wobei der Steuerungseinrichtung über die Benutzerschnittstelle Informationen zu einem festen Betrag einer Zugkraft, mit welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument beaufschlagt werden soll, vorgebbar sind.
Weiter kann es sein, dass der Parallelkinematik-Roboter eine mit der Steuerungseinrichtung in Verbindung stehende Sensorik umfasst, mittels welcher eine über das wenigstens eine Arbeitsinstrument auf die mehreren Arbeitsarme einwirkende Ist-Belastung erfassbar ist. Die Steuerungseinrichtung kann hierbei zur flexiblen Anpassung des Betrages der Zugkraft unter Berücksichtigung der erfassten Ist-Belastung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Anpassung des Betrages der Zugkraft hierbei zumindest näherungsweise in Echtzeit erfolgen.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Parallelkinematik-Roboters. Merkmale, welche vorhergehend zu diversen Ausführungsformen des Parallelkinematik-Roboters genannt wurden, können auch bei denkbaren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein. Zudem können nachfolgend genannte Merkmale, welche diverse Ausführungsformen des Verfahrens betreffen, bei denkbaren Ausführungsformen des Parallelkinematik-Roboters vorgesehen sein. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

– gemeinsames Bewegen mehrerer Arbeitsarme, um wenigstens ein an die mehreren Arbeitsarme mechanisch gekoppeltes Arbeitsinstrument in Richtung mindestens eines zu bearbeitenden und/oder zu manipulierenden Stückgutes zu versetzen,
– Manipulieren und/oder Bearbeiten des mindestens einen Stückgutes über das wenigstens eine Arbeitsinstrument.

Weiter ist für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen, dass die mehreren Arbeitsarme zumindest während ihrer gemeinsamen Bewegung entlastet werden, wozu mindestens eine Entlastungseinrichtung eine Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes zumindest anteilig aufnimmt.
Für besonders bevorzugte Ausführungsformen kann zudem vorgesehen sein, dass die mindestens eine Entlastungseinrichtung über eine in Richtung nach oben orientierte Zugkraft auf das wenigstens eine Arbeitsinstrument einwirkt. Die mindestens eine Entlastungseinrichtung kann hierbei durchgehend bzw. unterbrechungsfrei über eine in Richtung nach oben orientierte Zugkraft auf das wenigstens eine Arbeitsinstrument einwirken.
Weiter ist vorstellbar, dass die in Richtung nach oben orientierte bzw. die in Richtung nach oben wirkende Zugkraft durch einen mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument mechanisch gekoppelten Seilzug bewirkt wird und/oder dass die in Richtung nach oben wirkende Zugkraft unter Zuhilfenahme einer Zugfeder bzw. federnden Einheit bewirkt wird.
Zudem kann ein Betrag der Zugkraft bei Bewegung der mehreren Arbeitsarme über den Zeitverlauf in Abhängigkeit einer über das wenigstens eine Arbeitsinstrument auf die mehreren Arbeitsarme einwirkenden Belastung angepasst werden. Hierbei ist denkbar, dass die auf die mehreren Arbeitsarme über das wenigstens eine Arbeitsinstrument einwirkende Belastung sensorisch festgestellt und/oder erfasst wird. Hierauf folgend kann sodann ein Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft unter Berücksichtigung der sensorischen Erfassung angepasst bzw. vorgegeben werden. Die Anpassung bzw. Vorgabe kann zumindest näherungsweise in Echtzeit erfolgen.
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.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters;
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden 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 Erfindung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 1 und verdeutlicht darüber hinaus einzelne Schritte einer denkbaren Umsetzung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Parallelkinematik-Roboter 1 kann Stückgüter, wie Getränkebehältnisse, entgegennehmen und an eine vorbestimmte Position versetzen. Hierzu umfasst der Parallelkinematik-Roboter 1 ein Arbeitsinstrument 3, welches beispielsweise als Saug- und/oder Greifeinrichtung ausgebildet sein kann und die jeweiligen Stückgüter bzw. Getränkebehältnisse klemmend und/oder via Unterdruck entgegennimmt. Das Arbeitsinstrument 3 aus 1 besitzt mehrere feste Positionen, die zur Aufnahme eines jeweiligen Getränkebehältnisses via Unterdruck ausgebildet sind.
Zu erkennen ist weiterhin eine als rechnergestütztes System ausgebildete Steuerungseinrichtung S, welche mit dem Arbeitsinstrument 3 in Verbindung steht und das Arbeitsinstrument 3 ansteuern kann, um die jeweiligen Stückgüter bzw. Getränkebehältnisse entgegenzunehmen.
Zudem umfasst der Parallelkinematik-Roboter 1 mehrere bzw. drei Arbeitsarme 5, die gelenkig an einer Basis 2 befestigt sind. An der Basis 2 ist das Arbeitsinstrument 3 hängend angeordnet. Über eine gemeinsame und aufeinander abgestimmte Bewegung der Arbeitsarme 5 kann die Basis 2 zusammen mit dem Arbeitsinstrument 3 versetzt werden. Um die Arbeitsarme 5 bewegen zu können, ist jedem der Arbeitsarme 5 ein eigener Aktor 6 zugeordnet, welche Aktoren 6 mit der Steuerungseinrichtung S in Verbindung stehen. Die Steuerungseinrichtung S kann somit unter Ansteuerung der Aktoren 6 eine gemeinsame Bewegung der Arbeitsarme 5 zum Positionieren bzw. Versetzen des Arbeitsinstrumentes 3 vorgeben.
Arbeitsinstrumente 3, die zum Manipulieren oder Bearbeiten von Stückgütern ausgebildet sind, besitzen eine große Masse. Sofern Arbeitsinstrumente 3 durch eine aufeinander abgestimmte Bewegung mehrerer Arbeitsarme 5 versetzt werden, müssen die Arbeitsarme 5 die jeweilige Masse des Arbeitsinstrumentes 3 tragen. Insbesondere kann dies problematisch sein, sofern das Arbeitsinstrument 3 für einen hohen Durchsatz des Parallelkinematik-Roboters 1 sehr schnell versetzt werden muss. Durch die Trägheit des Arbeitsinstrumentes 3 und die hohen Fliehkräfte werden die Arbeitsarme 5 stark belastet. Auch sind für einen hohen Durchsatz Aktoren 6 mit großer Leistung notwendig, die hohe Anschaffungskosten besitzen. Um den via das Arbeitsinstrument 3 auf die Arbeitsarme 5 übertragenen Kräften standhalten zu können, ist eine große Dimensionierung der Arbeitsarme 5 notwendig.
Um diese Probleme zu vermeiden, besitzt der erfindungsgemäße Parallelkinematik-Roboter 1 eine Entlastungseinrichtung 8, die mechanisch an eine oberen Aufhängung 22 und an die Basis 2 gekoppelt ist. Über die Entlastungseinrichtung 8 kann die Masse des Arbeitsinstrumentes 3 zumindest anteilig aufgenommen bzw. getragen werden. Hierzu ist die Entlastungseinrichtung 8 derart ausgebildet, dass das Arbeitsinstrument 3 über die Entlastungseinrichtung 8 mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft beaufschlagbar ist.
Im Ausführungsbeispiel aus 1 ist die Entlastungseinrichtung 8 als federnde Einheit 9 bzw. als federnder Zylinder ausgebildet. Hierbei kann es sein, dass die Entlastungseinrichtung 8 bzw. federnde Einheit 9 eine mechanische Zugfeder umfasst, über welche das Arbeitsinstrument 3 mit der oberen Aufhängung 22 in Verbindung steht. Die federnde Einheit 9 bzw. der federnde Zylinder umfasst einen oberen Abschnitt 30 und einen unteren Abschnitt 31, die in Längsrichtung der federnden Einheit 9 relativ zueinander beweglich sind. Denkbar ist hierbei auch, dass die federnde Einheit 9 als pneumatische oder hydraulische Feder bzw. pneumatischer oder hydraulischer Zylinder mit mindestens zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen bzw. mit einem oberen Abschnitt 30 und einem unteren Abschnitt 31 ausgebildet ist. In weiteren denkbaren Ausführungsformen kann die federnde Einheit 9 als magnetische Feder mit mindestens zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen bzw. mit einem oberen Abschnitt 30 und einem unteren Abschnitt 31 ausgebildet sein, wobei der oberer Abschnitt 30 und der untere Abschnitt 31 über Permanentmagnete federnd miteinander in Verbindung stehen und entlang ihrer jeweiligen Längsrichtung relativ zueinander bewegbar sind. Bei derartigen Ausführungsformen kann mittels der als magnetische Feder ausgebildeten federnden Einheit 9 bei einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme 5 durchgehend ein konstanter Betrag einer Zugkraft auf das Arbeitsinstrument 3 übertragen werden.
1 lässt darüber hinaus erkennen, dass die Entlastungseinrichtung 8 bzw. federnde Einheit 9 mit der Basis 2 und mit der oberen Aufhängung 22 gelenkig in Verbindung steht. In weiteren denkbaren Ausführungsformen kann die Entlastungseinrichtung 8 bzw. federnde Einheit 9 mit ihrem in Richtung des Arbeitsinstrumentes 3 weisenden Endbereich direkt an dem Arbeitsinstrument 3 gelenkig befestigt sein. Es ist darüber hinaus vorstellbar, dass die Entlastungseinrichtung 8 bzw. federnde Einheit 9 als drehbare Welle ausgebildet ist, die derart mit dem Arbeitsinstrument 3 in Wirkverbindung steht, dass das Arbeitsinstrument 3 über eine drehende Bewegung der als Welle ausgebildeten federnden Einheit 9 zur Aufnahme und Freigabe von Stückgütern angesteuert werden kann. Ist dies vorgesehen, so kann eine drehende Bewegung der als Welle ausgebildeten federnden Einheit 9 mittels der Steuerungseinrichtung S veranlasst bzw. bewirkt werden. Für die drehende Bewegung der als Welle ausgebildeten federnden Einheit 9 kann die als Welle ausgebildete federnde Einheit 9 mit einem in den Figuren vorliegender Patentanmeldung nicht mit dargestellten Aktor in Verbindung stehen.
Sofern das Arbeitsinstrument 3 über die Arbeitsarme 5 bewegt wird, ist eine durch die Masse, Trägheit und Fliehkraft des Arbeitsinstrumentes 3 auf die Arbeitsarme 5 übertragene Belastung über den Zeitverlauf unterschiedlich ausgebildet. In der Praxis kann aus diesem Grunde vorgesehen sein, dass auf der Steuerungseinrichtung S Informationen zur jeweiligen Belastung der Arbeitsarme 5 über den Zeitverlauf hinterlegt sind. Die Steuerungseinrichtung S kann unter Berücksichtigung der Informationen den Betrag einer über die Entlastungseinrichtung 8 auf das Arbeitsinstrument 3 übertragenen Zugkraft über den Zeitverlauf anpassen. Bewährt haben sich hierbei Ausführungsformen, bei welchen die Belastung sensorisch erfasst wird, wobei die Steuerungseinrichtung S den Betrag einer über die Entlastungseinrichtung 8 auf das Arbeitsinstrument 3 übertragenen Zugkraft in Abhängigkeit der sensorischen Erfassung zumindest näherungsweise in Echtzeit anpasst.
Da bei dem Parallelkinematik-Roboter 1 gemäß 1 die Masse des Arbeitsinstrumentes 3, welche von den Arbeitsarmen 5 aufgenommen werden muss, gering gehalten wird, können Aktoren 6 für den Parallelkinematik-Roboter 1 verwendet werden, welche eine niedrige Leistung besitzen. Der Parallelkinematik-Roboter 1 kann aus diesem Grunde energiesparend betrieben werden und zeigt gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Parallelkinematik-Robotern geringere Verschleißerscheinungen an Arbeitsarmen 5 und Gelenken.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Parallelkinematik-Roboters 1. Auch der Parallelkinematik-Roboter 1 aus dem Ausführungsbeispiel aus 2 besitzt ein Arbeitsinstrument 3, das beispielsweise als Saug- und/oder Greifeinrichtung zur Entgegennahme von Stückgütern, wie Getränkebehältnissen, ausgebildet sein kann. Eine Ansteuerung des Arbeitsinstrumentes 3 bzw. des Manipulators wird weiterhin über die Steuerungseinrichtung S bewirkt.
Zudem ist eine obere Aufhängung 22 zu erkennen, an welcher die Arbeitsarme 5 hängend befestigt sind. Jedem Arbeitsarm 5 ist ein eigener Aktor 6 zugeordnet, wobei sämtliche Aktoren 6 über die Steuerungseinrichtung S für eine gemeinsame und aufeinander abgestimmte Bewegung der Arbeitsarme 5 angesteuert werden können. Durch eine jeweilige aufeinander abgestimmte Bewegung der Arbeitsarme 5 wird das Arbeitsinstrument 3 versetzt bzw. positioniert. Jeder Arbeitsarme 5 umfasst einen Oberarm 11 sowie einen Unterarm 13, wobei der jeweilige Oberarm 11 und der jeweilige Unterarm 13 gelenkig miteinander in Verbindung stehen.
Um eine aufgrund der Masse des Arbeitsinstrumentes 3 auf die Arbeitsarme 5 einwirkende Belastung möglichst gering zu halten, besitzt auch der Parallelkinematik-Roboter 1 aus dem Ausführungsbeispiel aus 2 eine Entlastungseinrichtung 8.
Die Entlastungseinrichtung 8 umfasst ein strangförmiges flexibles Zugelement 35, das mit einem freien Endbereich am Arbeitsinstrument 3 und/oder an der Basis 2 befestigt ist. Das strangförmige Zugelement ist als Seil ausgebildet. Weiter durchsetzt das strangförmige flexible Zugelement 35 die obere Aufhängung 22 und ist hierauf folgend um zwei Umlenkrollen 25 und 27 geführt. An einem weiteren freien Endbereich steht das strangförmige Zugelement 35 mit einem Gegengewicht 40 in Verbindung. Die Masse des Gegengewichtes kann in bevorzugten Ausführungsformen mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 80% einer Masse des Arbeitsinstrumentes 3 betragen. Das Gegengewicht 40 ist frei schwebend am freien Endbereich des strangförmigen Zugelementes 35 befestigt.
Auch bei der Ausführungsform eines Parallelkinematik-Roboters 1 aus 2 beaufschlagt die Entlastungseinrichtung 8 das Arbeitsinstrument 3 mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft. Hierdurch kann die Belastung der Arbeitsarme 5 durch das Arbeitsinstrument 3 gering gehalten werden. Zum Bewegen bzw. Versetzen des Arbeitsinstrumentes 3 können aus diesem Grunde Aktoren 6 verwendet werden, die gegenüber Ausführungsformen ohne Entlastungseinrichtung 8 eine geringere Leistung besitzen.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform 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.
Bezugszeichenliste

1: Parallelkinematik-Roboter
2: Basis
3: Arbeitsinstrument
5: Arbeitsarm
6: Aktor
8: Entlastungseinrichtung
9: Federnde Einheit
11: Oberarm
13: Unterarm
22: Obere Aufhängung
25: Umlenkrolle
27: Umlenkrolle
30: Oberer Abschnitt
31: Unterer Abschnitt
35: Strangförmiges flexibles Zugelement
40: Gegengewicht
S: Steuerungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 2388216 A1 [0003]

Claims

Parallelkinematik-Roboter (1) zum Umgang mit Stückgütern und/oder Werkstücken, aufweisend – wenigstens ein Arbeitsinstrument (3) zum Bearbeiten und/oder Manipulieren mindestens eines Stückgutes und/oder Werkstücks, – mehrere Arbeitsarme (5), die an das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) mechanisch gekoppelt sind, so dass das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) durch eine gemeinsame Bewegung der mehreren Arbeitsarme (5) versetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelkinematik-Roboter (1) mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) umfasst, welche mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument (3) in Verbindung steht und zum zumindest anteiligen Aufnehmen einer Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) ausgebildet ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 1, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) zur Beaufschlagung des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (8) mit einer in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft ausgebildet ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 2, bei welchem ein Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft wenigstens einer im Ruhezustand in Richtung nach unten wirkenden Gewichtskraft des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) entspricht.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) zur Beaufschlagung des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) mit einem durchgehend konstanten Betrag der in Richtung nach oben wirkenden Zugkraft bei einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme (5) ausgebildet ist.
Parallelkinematik-Roboter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) zwischen den mehreren Arbeitsarmen (5) positioniert ist.
Parallelkinematik-Roboter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) eine federnde Einheit (9) umfasst, welche zum zumindest anteiligen Aufnehmen der Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument (3) in Verbindung steht.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 6, bei welchem die federnde Einheit (9) aus mindestens zwei entlang ihrer jeweiligen Längsrichtung relativ zueinander bewegbaren Abschnitten (30, 31) besteht.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 7, bei welchem ein erster (31) der mindestens zwei Abschnitte (30, 31) mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument (3) in Verbindung steht und bei welchem ein zweiter (30) der mindestens zwei Abschnitte (30, 31) an einer oberen Aufhängung (22) des Parallelkinematik-Roboters befestigt ist.
Parallelkinematik-Roboter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) ein strangförmiges flexibles Zugelement (35) umfasst, wobei ein freier Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes (35) mit dem wenigstens einen Arbeitsinstrument (3) in Verbindung steht und wobei ein gegenüberliegender freier Endbereich des strangförmigen flexiblen Zugelementes (35) an ein Gegengewicht (40) gekoppelt ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 9, bei welchem das strangförmige flexible Zugelement (35) über mindestens eine und vorzugsweise mehrere Umlenkungen geführt ist.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei welchem das strangförmige flexible Zugelement (35) eine obere Aufhängung (22), an welcher die mehreren Arbeitsarme (5) hängend befestigt sind, durchsetzt.
Parallelkinematik-Roboter nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem eine Masse des Gegengewichtes (40) mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 80% einer Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) in einem Ruhezustand der mehreren Arbeitsarme (5) beträgt.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, umfassend eine Steuerungseinrichtung (S), welche mit der mindestens einen Entlastungseinrichtung (8) in Verbindung steht, wobei über die Steuerungseinrichtung (S) ein Betrag der Zugkraft, mit welcher das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) beaufschlagbar ist, während einer Bewegung der mehreren Arbeitsarme (5) flexibel angepasst werden kann.
Parallelkinematik-Roboter nach Anspruch 13, umfassend eine mit der Steuerungseinrichtung (S) in Verbindung stehende Sensorik, mittels welcher eine über das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) auf die mehreren Arbeitsarme (5) einwirkende Ist-Belastung erfassbar ist, wobei die Steuerungseinrichtung (S) zur flexiblen Anpassung des Betrages der Zugkraft unter Berücksichtigung der erfassten Ist-Belastung ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Parallelkinematik-Roboters (1), umfassend folgende Schritte: – gemeinsames Bewegen mehrerer Arbeitsarme (5), woraus resultierend ein an die mehreren Arbeitsarme (5) mechanisch gekoppeltes Arbeitsinstrument (3) in Richtung mindestens eines zu bearbeitenden und/oder zu manipulierenden Stückgutes versetzt wird, – Manipulieren und/oder Bearbeiten des mindestens einen Stückgutes über das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während ihrer gemeinsamen Bewegung die mehreren Arbeitsarme (3) entlastet werden, wozu mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) eine Masse des wenigstens einen Arbeitsinstrumentes (3) zumindest anteilig aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die mindestens eine Entlastungseinrichtung (8) über eine in Richtung nach oben orientierte Zugkraft auf das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die in Richtung nach oben orientierte Zugkraft durch einen mit dem Arbeitsinstrument (3) mechanisch gekoppelten Seilzug bewirkt wird und/oder bei welchem die in Richtung nach oben wirkende Zugkraft unter Zuhilfenahme einer federnden Einheit (9) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei welchem ein Betrag der Zugkraft bei Bewegung der mehreren Arbeitsarme (5) über den Zeitverlauf in Abhängigkeit einer über das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) auf die mehreren Arbeitsarme (5) einwirkenden Belastung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die auf die mehreren Arbeitsarme (5) über das wenigstens eine Arbeitsinstrument (3) einwirkende Belastung sensorisch festgestellt und/oder erfasst wird.