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Die Erfindung betrifft eine kapazitive Näherungsanordnung für kollaborierende Roboter oder andere, in der Nähe von Menschen bewegte Teile mit mindestens einer Sensoranordnung, die elektrisch isoliert auf dem Roboter angebracht ist und eine durch eine Abschirmelektrode gegen Masse abgeschirmte Sensorelektrode aufweist, wobei die Sensorelektrode mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagbar ist.
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Solche kapazitiven Näherungsanordnungen werden insbesondere bei kollaborierenden Robotern mit Vorteil eingesetzt, bei denen die mit den Robotern zusammenarbeitenden Menschen nicht durch Schutzgitter vor der Berührung des Roboters geschützt werden können. Ausführungsformen hierfür einsetzbarer Näherungsanordnungen sind beispielsweise in den Patenten
DE 101 31 243 C1 ,
DE 10 2009 053 077 B3 und
DE 10 2013 204 717 B3 beschrieben.
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Mit Hilfe eines oder mehrerer solcher, auf einem Roboter bzw. seinem Arm angeordneten kapazitiven Sensoren kann eine Art Schutzschicht um den Roboter gelegt werden. Während des Arbeitens ändert sich jedoch die Umgebung des Roboters ständig. Nähert sich der Roboter nun während seiner normalen Arbeitsbewegung einem Teil der Umgebung so weit, dass das zum Auslösen einer Nothaltfunktion durch den oder die kapazitiven Sensoren führen müsste, wäre das Auslösen eines solchen Nothalts nicht erwünscht, da in diesem Fall kein Mensch geschützt oder eine Kollision mit anderen Vorrichtungsteilen vermieden werden muss.
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Um dieses Problem zu lösen, ist es Stand der Technik, dass nach dem Programmieren des Roboters zunächst eine Referenzfahrt durchgeführt wird, bei der die Umgebung erkundet wird, d. h. die kapazitive Belastung der Sensoren durch Objekte bestimmt wird, die der Roboter durch das Roboterprogramm ohne Anwesenheit von zu schützenden Menschen passiert. Beim Passieren dieser Objekte in einem Arbeitszyklus des Roboters wird die Empfindlichkeit des oder der Sensoren dann zeitweilig herabgesetzt.
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Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
WO 2016/020052 A1 beschrieben, nach dem die Sensorempfindlichkeit herabgesetzt wird, wenn ein zweiteiliger Robeoberarm abgewinkelt wird.
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Wenn bei der Annäherung des Roboters an ein Objekt die Empfindlichkeit des Sensors reduziert wird, wird jedoch auch dessen Schutzfunktion für einen Menschen herabgesetzt, d. h. der Mensch wird erst bei einem kleineren Abstand detektiert.
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Die
DE 10 2015 013 496 A1 beschreibt einen Roboter mit Kraftsensoren, die erst bei Berührung eines Objekts ansprechen. Der Roboter weist außerdem eine Fehlfunktionserkennung der Sensoren auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Näherungsanordnung für kollaborierende Roboter oder andere, in der Umgebung von Menschen bewegte Teile bereitzustellen, die unnötige Nothalte vermeidet, gleichzeitig aber die mit dem Roboter oder Teil zusammenarbeitenden Menschen zuverlässig schützt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine kapazitive Näherungsanordnung für kollaborierende Roboter oder andere, in der Nähe von Menschen bewegte Teile mit mindestens einer Sensoranordnung, die elektrisch isoliert auf dem Roboter angebracht ist und eine durch eine Abschirmelektrode gegen Masse abgeschirmte Sensorelektrode aufweist, wobei die Sensorelektrode mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagbar ist und das Signal der Abschirmelektrode dem Signal der Sensorelektrode folgt, wobei die Näherungsanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass für elektrisch leitende Objekte im Bewegungsbereich des Roboters jeweils eine das Objekt abdeckende Umgebungselektrode auf dem Objekt angeordnet ist, die mit dem abgeschwächten oder verstärkten Signal der Abschirmelektrode beaufschlagbar ist, derart, dass bei Annäherung der Sensoranordnung an das Objekt die Signalamplitude des Signals der Sensorelektrode keine Abschwächung erfährt.
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Durch das Versehen von Objekten im Bereich des Arbeitsraums des Roboters mit Umgebungselektroden und Ansteuern dieser Elektroden mit dem Signal der Sensoranordnungen werden diese Objekte für die Sensoranordnungen sozusagen transparent, d. h. nicht wahrgenommen. Dennoch bleibt die Empfindlichkeit der Sensoranordnungen gegenüber einem sich nähernden Menschen voll erhalten.
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Dabei kann das Signal der Abschirmelektrode vorzugsweise über einen Operationsverstärker mit einem einstellbaren Verstärkungsfaktor an die Umgebungselektrode geleitet werden. Üblicherweise wird der Verstärkungsfaktor kleiner als 1 sein. Falls die Umgebungselektrode jedoch sehr klein sein muss, kann es auch erforderlich sein, an die Umgebungselektrode einen höheren Pegel anzulegen als an die Abschirmelektrode, d. h. einen Verstärkungsfaktor größer oder zumindest gleich 1 zu wählen.
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Insbesondere für Roboter, deren Arme mehrere Gelenke aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn mehrere Sensoranordnungen auf dem Roboter vorgesehen sind und an die Umgebungselektroden jeweils das abgeschwächte oder verstärkte Abschirmelektrodensignal der räumlich am dichtesten an der jeweiligen Umgebungselektrode liegenden Sensoranordnung anlegbar ist.
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Sind mehrere Sensoranordnungen vorgesehen, so beeinflussen diese sich gegenseitig. Die gegenseitige Beeinflussung ändert sich dabei mit der gegenseitigen Entfernung. Sie wird beispielsweise geringer, wenn ein Arm des Roboters ausgefahren wird. Bei der Annäherung einer Sensoranordnung an ein Objekt in ihrer Umgebung werden also die benachbarten Sensoranordnungen ebenfalls eine geringere Signalamplitude bekommen, wenn das nicht durch eine Umgebungselektrode verhindert wird. Je nachdem, wie stark die Kopplung zwischen den Sensoranordnungen ist, kann es erforderlich sein, das Signal einer einzelnen oder – bei mehreren – alter Umgebungselektroden mit den Signalen der jeweils der Umgebungselektrode nächsten Sensoranordnung zu beaufschlagen.
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Es ist wichtig, dass die Amplitudenänderung durch einen sich nähernden Menschen nicht durch ein der Sensoranordnung nahes Potenzial, sei es Masse oder aber auch ein sich nicht anpassendes Signal mit der Sensorfrequenz verringert wird. Das Signal der Umgebungselektrode folgt deshalb dem Sensorsignal einschließlich einer eventuellen Modulation durch eine Testelektrode und einer Abschwächung durch einen sich in der Nähe befindenden Menschen.
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Um diese Ansteuerung der Umgebungselektroden zu gewährleisten, kann die kapazitive Näherungsanordnung ein Steuergerät aufweisen, das die Abschirmelektrodensignale aller Sensoranordnungen empfängt und jeweils an einen Eingang einer Schaltmatrix übergibt, an deren Ausgängen jeweils ein mit einer zugehörigen Umgebungselektrode verbundener Operationsverstärker angeordnet ist, wobei die Schaltmatrix jeweils das Signal der der Umgebungselektrode nächstliegenden Sensoranordnung an den Operationsverstärker dieser Umgebungselektrode weiterleitet.
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Alternativ können auch nur die Amplituden der Signale an den Sensoranordnungen an das Steuergerät geliefert werden, das dann ein Signal mit der Referenzfrequenz in passender Weise verstärkt an die Umgebungselektroden liefert.
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Die erforderlichen Verstärkungsfaktoren der einzelnen Operationsverstärker und die Verknüpfung der Ein- und Ausgänge der Schaltmatrix können dabei mittels einer Referenzfahrt des Roboters ermittelt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn mindestens eine Umgebungselektrode auch auf am Roboter geführten Kabeln angeordnet ist.
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An einem Roboter angebrachte Werkzeuge werden häufig durch ein Kabel betätigt, das außerhalb des Roboters geführt wird. Liegen die Signale dieses Kabels auf Niveaus, die nicht mit den Sensorsignalen korreliert sind, wirkt das Kabel empfindlichkeitsverringernd, ähnlich wie ein sonstiges Objekt in der nahen Umgebung. Da sich das Kabel mit dem Werkzeug bewegt, also auch möglicherweise gegenüber einer oder mehreren Sensoranordnungen, kann durch das Kabel eine Änderung der Kapazität zwischen der Sensoranordnung und der Umgebung bewirkt werden, die nur schwierig zu ignorieren ist, ohne dabei die Empfindlichkeit der Erkennung einer Kapazitätsänderung durch einen sich nähernden Menschen herabzusetzen.
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Es ist deshalb von Vorteil, um das Kabel eine Abschirmung in Form einer Umgebungselektrode zu legen, die mit dem Signal der Abschirmelektrode beaufschlagt wird. Dadurch übt das Kabel einen geringeren Einfluss auf die Sensoranordnung aus. Wie bei den Umgebungselektroden an Objekten in der nahen Umgebung des Roboters wird die Empfindlichkeit der Sensoranordnung nicht oder weniger stark reduziert, um das Kabel zu tolerieren.
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Wenn das Kabel mehrere Sensoranordnungen passiert, kann es zweckmäßig sein, es mit mehreren Umgebungselektroden zu versehen, die jeweils mit dem Signal der nächstgelegenen Sensoranordnung beaufschlagt werden.
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Das Wechselspannungssignal kann vorzugsweise phasengenau mit einem Trägersignal synchronisiert sein.
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Für die Ausgestaltung der Anordnung mehrerer Sensoren sind dabei verschiedene Varianten möglich. Vorzugsweise können die Wechselspannungssignale, mit dem die Sensorelektroden beaufschlagt werden, phasensynchron sein. Die Wechselspannungssignale können aus Wechselspannungsquellen stammen oder selbsterregt sein.
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Weiter kann die Sensoranordnung in an sich bekannter Weise einen Schwingkreis aufweisen. Dabei ist es auch möglich, diesen Schwingkreis dadurch zu gestalten, dass die Sensoranordnung einen ersten Operationsverstärker aufweist, der über einen Spannungsteiler derart eingestellt ist, dass er schwingt.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Sensoranordnung eine Testelektrode aufweist, die über einen Schalter mit einer vorgebbaren Frequenz mit einem Gleichspannungspotenzial verbindbar ist. Die Testelektrode wird mit Abstand zur Sensorelektrode angeordnet. Der Schalter erzeugt ein Rechtecksignal. Bei geöffnetem Schalter bildet die Testelektrode mit der Sensorelektrode nur eine kleine Kapazität aus. Bei Anlegen des Rechteckimpulses wird dagegen das Signal der Sensorelektrode mit der Frequenz des Schalters moduliert. Auf diese Weise kann die korrekte Funktion der Sensoranordnung überprüft werden.
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Zur Ansteuerung der Testelektrode kann diese über eine Kapazität mit dem Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers verbunden sein, dessen Eingang mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, dessen Verstärkungsfaktor so eingestellt ist, dass das Signal der Testelektrode dem der Sensorelektrode mit gleicher Amplitude folgt. Die Eigenkapazität des Schalters der Testelektrode und der Verbindungsleitungen wird dadurch unwirksam.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Näherungsanordnung mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Roboterarms mit Sensoranordnungen in der Nähe einer Wand;
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2 ein Schaltbild einer Sensoranordnung;
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3 ein Prinzipschaltbild einer Auswerteeinrichtung für mehrere Sensoranordnungen.
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1 zeigt einen Roboterarm 10 mit einem Greifwerkzeug 104, das sich hier einer Wand 20 annähert. Auf der Greifeinrichtung 104 ist eine Näherungsanordnung 100 nach der Erfindung angeordnet, die vermeiden soll, dass Kollisionen des Roboterarms 10 mit Gegenständen oder Personen in der Umgebung auftreten. Auch am Roboterarm selbst ist eine solche Näherungsanordnung 100 vorgesehen. Damit die Näherungsanordnungen 100 nicht während der normalen Arbeitsbewegung des Roboterarms 10 unnötig einen Nothalt auslösen, weil sie sich der Wand 20 oder einem anderen Objekt nähern, ist an der Wand 20 eine Umgebungselektrode 201 angebracht. Zwischen ihr und der Wand 20 befindet sich ein Isolator 203. Die Umgebungselektrode 201 wird mit einer Steuerschaltung der Näherungsanordnungen 100 verbunden, wie weiter unten noch beschrieben wird. Sie ist durch eine entsprechende Ansteuerung daher in der Lage, das Objekt – hier die Wand 20 – für die Näherungsanordnung 100 quasi unsichtbar zu machen, ohne dazu die Empfindlichkeit der Näherungsanordnung herabsetzen zu müssen.
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In 2 ist ein Schaltbild der Näherungsanordnung 100 dargestellt. Sie weist eine Sensorelektrode 101, eine Testelektrode 102 und eine Abschirmelektrode 103 auf, die alle flächenförmig ausgeführt sind. Die Abschirmelektrode 103 ist gegenüber dem Roboterarm 10 isolierend an diesem angebracht, wobei das Isoliermaterial weder hier noch zwischen den Elektroden 101, 102 und 103 dargestellt ist.
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Die Sensorelektrode 101 ist mit dem Eingang eines Operationsverstärkers OP1 verbunden, der nicht invertierend ist. Die Abschirmelektrode 103 ist mit dem Ausgang desselben Verstärkers OP1 verbunden und macht daher alle Potenzialschwankungen der Sensorelektrode 101 mit und wirkt somit selbst nicht als Kapazität gegenüber der Sensorelektrode 101. Die Abschirmelektrode ist außerdem mit einer Auswerteschaltung verbunden.
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Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 wird einem weiteren Operationsverstärker OP4 mit geeignetem Verstärkungsfaktor zugeführt. Dessen Ausgangssignal liegt über einen Kondensator C1 an der Testelektrode 102.
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Der elektronische Schalter S1 wird durch ein nicht gezeigtes Steuergerät mit einem Rechtecksignal mit einer Testfrequenz angesteuert. Im geschlossenen Zustand schließt der Schalter S1 die Testelektrode 102 an Masse an.
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Durch diese Anordnung wird das Signal an der Testelektrode 102 so eingestellt, dass bei offenem Schalter S1 die Testelektrode 102 das Signal an der Sensorelektrode 101 nicht beeinflusst. Die Kapazitäten des Schalters S1 und der Zuleitung des Signals an die Testelektrode 102 gegen Masse werden so kompensiert.
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Außerdem wird das Ausgangssignal des OP1 an einen Operationsverstärker OP5 gegeben, dessen Ausgang mit der Umgebungselektrode 201 verbunden ist. Das Ausgangssignal des OP5 entspricht dem Ausgangssignal von OP4, wird aber im Pegel so abgeschwächt oder verstärkt (nicht gezeigt), dass das Signal der Sensorelektrode 101 und damit auch das der Abschirmelektrode 103 auch bei Annäherung der Anordnung 100 an die Umgebungselektrode 201 seine Signalamplitude beibehält.
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Bei f0 wird eine Referenzfrequenz angelegt, die zur Synchronisation mehrerer Näherungsanordnungen 100 erforderlich ist. Ein Phasendetektor PD sorgt über eine Kapazitätsdiode CD1 dafür, dass das Signal an der Abschirmelektrode 103 des Sensors und damit auch an der Sensorelektrode 101 phasengenau mit der Referenzfrequenz f0 synchronisiert ist.
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Die Selbstschwingung wird durch den Operationsverstärker OP1 erzeugt, der das Eingangssignal über als digitales Potentiometer geschaltete Widerstände R2 und R3 so verstärkt, dass über die Kapazität zwischen Abschirmelektrode 103 und Sensorelektrode 101, den Sourcefolger und den Schwingkreis aus L1 und einer Kapazitätsdiode CD1 das Ausgangssignal mit geeigneter Amplitude an den positiven Eingang des Verstärkers OP1 gelangt.
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Dieses Signal wird durch die Dioden D1 und D2 gedämpft. Durch die Vorspannungen der Dioden D1, D2 wird deren Temperaturabhängigkeit kompensiert. Dazu wird die Spannung an einer Diode D3 abgegriffen, deren Arbeitspunkt durch einen Widerstand R1 und eine Spannung U1 bei feststehender, positiver Versorgungsspannung eingestellt wird. Diese Spannung gelangt über einen Operationsverstärker OP2 an die Diode D2 und invertiert durch einen Operationsverstärker OP3 an die Diode D1.
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Roboter werden in der Regel mit mehreren Näherungsanordnungen 100 ausgerüstet. Diese beeinflussen sich gegenseitig mehr, wenn sie sich nahe gegenüberstehen, oder weniger, wenn sie weiter entfernt voneinander sind, etwa, weil der Roboter einen Arm streckt.
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Bei der Annäherung einer Näherungsanordnung 100 an ein Obkejt in der Umgebung werden also die benachbarten Näherungsanordnungen 100 ebenfalls eine geringere Signalamplitude bekommen, wenn dies nicht durch eine Umgebungselektrode 201 an dem Objekt verhindert wird. Je nachdem, wie stark die Kopplung zwischen den Näherungsanordnungen 100 ist, kann es erforderlich sein, das Signal einer einzelnen oder – bei mehreren – aller Umgebungselektroden 201 mit den Signalen der jeweils der Umgebung nächsten Näherungsanordnung 100 zu beaufschlagen.
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Zur technischen Lösung wird eine Anordnung nach 3 vorgeschlagen. Ein Steuergerät 300 empfängt die Eingangssignale von Näherungsanordnungen 100, hier als 301, 302, ... bezeichnet. Die meisten Roboter haben sieben Freiheitsgrade oder Achsen für die drei Raumkoordinaten x, y und z, drei Raumwinkel und die Stellung des Werkzeugs (an/aus). Diese Eingangssignale werden in eine Schaltmatrix 310 geleitet, wo sie an einen beliebigen Ausgang der Schaltmatrix durchgeschaltet werden. An den Ausgängen der Schaltmatrix liegen Operationsverstärker 321, 322, ..., an deren Ausgängen die durchgeschalteten Signale abgeschwächt oder verstärkt liegen. Die Schaltmatrix und die Verstärkungsfaktoren der Operationsverstärker 32x werden von der zentralen Robotersteuerung gesteuert. Während einer Referenzfahrt oder mehrerer Referenzfahrten des Roboters ermittelt die Steuerung des Roboters, welche Näherungsanordnung 100 von welcher Umgebungselektrode 201 am stärksten beeinflusst wird, und stellt die Amplitude des Signals der Umgebungselektrode 201 so ein, dass das Signal der am stärksten betroffenen Näherungsanordnung 100 seine übliche Amplitude hat.
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Nähern sich verschiedene Näherungsanordnungen 100 einer bestimmten Umgebungselektrode 201 während des programmierten Bewegungsablaufs des Roboters, wird der Pegel der Umgebungselektrode 201 jeweils entsprechend angepasst.
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Die Verbindung von den Ansteuerungen der Näherungsanordnungen 100 zum Steuergerät 300 muss dabei nicht über Leitungen, sondern kann auch drahtlos erfolgen. Hierzu muss jede Näherungsanordnung 100 mindestens die Amplitude des Signals der Abschirmelektrode 103 laufend übertragen. Für die drahtlose Übertragung stehen industriell gebräuchliche Bussysteme zur Verfügung, die es erlauben, jede Ansteuerung einer Näherungsanordnung 100 mit einem unabhängigen Funkmodul auszustatten.
