Bezeichnung der Erfindung

ROBOTER MIT AUFWICKELBAREN GEWöLBTEM SPRξIZBäNDERN ZUR POSITIONIERUNG EINER

ARBEITSPLATTFORM

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Roboter mit mindestens zwei Roboterarmen, welche jeweils von mindestens einem längenveränderlichen Aktuator gebil- det werden, deren erste Enden zu einer Plattform zusammengeführt sind und deren zweite Enden mit jeweils einer Antriebseinheit in Verbindung stehen.

Solche Roboter werden insbesondere zum Positionieren von Stückgütern eingesetzt, welche einen Produktionsprozess verlassen und im weiteren Prozessablauf vereinzelt, sortiert, überprüft oder in Verpackungen eingelegt werden müssen. Diese Anwendungen lassen sich allgemein unter dem Begriff „Pick-and-Place" zusammenfassen.

Bekannte Lösungen verwenden Parallelroboter mit drei oder mehr Freiheitsgraden, die auf einer Stabkinematik basieren. Die hier eingesetzten Stäbe werden über Hebel translatorisch bewegt. Aus der DE 60020466 T2 ist beispielsweise ein Parallelroboter mit vier Freiheitsgraden bekannt, der vier Stangenteile aufweist, von denen jedes zwei Parallelstangen umfasst, die ein Parallelgestänge bestimmen. Jedes Stangenteil ist an einem Ende mit einem beweglichen Abschnitt eines Auslösers durch ein kinematisches Element gekoppelt. Eine sich bewegende Plattform mit einem innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbaren Hauptteil ist mit Kopplungsteilen gekoppelt, wel- che in Bezug zum Hauptteil beweglich sind. Die Gliedmaßen der Kopplungsteile sind mit den anderen Enden der Stangenteile durch kinematische Elemente gekoppelt. Durch diese Konstruktion ist zumindest ein Teil der sich bewegenden Plattform innerhalb von vier Freiheitsgraden verschiebbar, welche durch Linearbewegung entlang von drei rechtwinkligen Achsen und einer Drehachse um eine vorbestimmte Achse definiert sind.

In der DE 197 10 171 C2 und der US 4,976,582 sind ebenfalls Roboter mit Parallelstruktur beschrieben, welche auf Stabkinematik basieren.

Nachteilig bei Parallelrobotern auf Basis von Stabkinematik sind das relativ hohe Gewicht der zu bewegenden Massen und die aufwändige Kinematik, die die Drehbewegung der Antriebe in translatorische Bewegungen der Arme umsetzt. Daraus ergeben sich relativ hohe Kosten für solche Parallelroboter. Die Steuerung derartiger Roboter ist sehr komplex. Außerdem kann nur eine relativ ungenaue und langsame Positionierung von Objekten realisiert werden.

Neue Entwicklungen basieren auf der so genannten Spreizbandmechanik als Maschinenelement für die Antriebstechnik. Die Spreizbandmechanik er- möglicht eine übertragung von Zug- und Druckkräften sowie Biegemomenten in begrenztem Umfang durch profilierte Metallbänder. Dabei wird die Steifigkeitseigenschaft eines quer zur Wickelrichtung gewölbten Metall-

bandes ausgenutzt, so dass damit im Unterschied zu den bekannten Zugmittelgetrieben mit Metallbändern sowohl Zug- als auch Druckkräfte in Längsrichtung des Bandes übertragen werden können. Um diese Kräfte auf die Antriebsrollen zu übertragen, wird die Eigenschaft der Breitenänderung eines gewölbten Bandes benutzt, das im aufgewickelten Zustand seine gesamte Breite einnimmt, während es im ausgewickelten und dann im Querschnitt gewölbten Zustand schmaler ist. Diese änderung in der Breite wird dazu verwendet, das Band zwischen die Seitenscheiben (Borde) der Antriebsrolle zu klemmen, womit eine kraft- und gegebenenfalls formschlüssige Verbin- düng hergestellt wird.

In seiner Grundstruktur besteht ein Spreizbandmodul aus einer Rolle und einem Band und verfügt bei einer rotatorisch gelagerten, angetriebenen Rolle über zwei Bewegungsfreiheiten in einer Ebene. Kräfte können über diese Grundstruktur lediglich in Längsrichtung des Bandes, Momente ausschließlich senkrecht zur Längsrichtung des Bandes und zur Achsrichtung der Rolle übertragen werden. Durch die Kombination mehrerer Spreizbandmodule, die als Gelenk-Glied-Kombination Antriebs- und Führungsglied vereinigen, zu Parallelkinematiken können sehr kompakte Roboter aufgebaut werden. Die- se zeichnen sich durch ein sehr gutes Verhältnis von Arbeitsraum zu Bauraum sowie einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau aus. Darüber hinaus ermöglichen die prinzipbedingt geringen bewegten Massen eines Spreizbandmoduls den Aufbau von Robotern mit sehr guten dynamischen Eigenschaften. Nachteilig bei den vorbekannten spreizbandgetriebe- nen Robotern sind die strukturbedingt auftretenden hohen Biegebelastungen der Bänder, welche zu einem schnellen Verschleiß der Bänder führen und damit einen erhöhten Wartungsaufwand mit sich bringen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Roboter mit längenveränderlichen Aktuatoren zur Verfügung zu stellen, der sich durch sehr gute dynamische Eigenschaften und einen geringen Wartungsaufwand für die Aktuatoren auszeichnet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Roboter gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Für die Erfindung ist wesentlich, dass die Spreizbänder jedes Roboterarms bzw. Aktuators jeweils von einer Antriebsebene ausgehen, welche oberhalb des Arbeitsraums liegt, in welchem die von den Spreizbänder be- wegte Plattform positioniert werden kann. Anders als im Stand der Technik verlaufen die Spreizbänder somit in ihrer Längserstreckung nicht horizontal sondern im Wesentlichen vertikal. Die Aktuatoren sind im statischen Zustand daher auf Zug und Druck belastet und erfahren keine gewichtsbedingte Belastung quer zur Längserstreckung.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass sich durch die vorzugsweise senkrechte Positionierung des Roboters oberhalb des Arbeitsraums der Einfluss der Gewichtkraft auf die Biegebelastung der Bänder verringert. Außerdem wird die Druckbelastung der Bänder um die Gewichts- kraft reduziert. Dadurch, dass die Bänder im statischen Zustand auf Zug und Druck belastet werden, kommt es ebenfalls zu einer Verringerung der Biegebelastung der Bänder. Beim erfindungsgemäßen Roboter kann auf diese Weise die Belastung der Bänder und der damit verbundene Verschleiß erheblich reduziert werden. Es kommt zu einer deutlichen Senkung des War- tungsaufwandes für eine derart realisierte Roboterstruktur.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform verwendet für die längenveränderlichen Aktuatoren Spreizbandaktuatoren, welche aus einer Rolle und einem auf die Rolle aufwickelbaren, quer zur Wickelrichtung gewölbten Band bestehen. Spreizbankaktuatoren zeichnen sich durch einen einfachen mechanischen Aufbau aus. Durch die vergleichsweise geringen bewegten Massen eines Spreizbandaktuators können Roboter mit sehr guten dynamischen Eigenschaften realisiert werden.

Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Rolle des Spreizbandaktua- tors einen Rollenzylinder und zwei Seitenscheiben umfasst und mit einer Antriebseinheit in Verbindung steht. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Band im auf die Rolle aufgewickelten Zustand im Wesentlichen keine Wölbung auf. Durch die Breitenänderung des Bandes kann sich das Band im aufgewickelten Zustand zwischen die Seitenscheiben der Rolle festklemmen, wodurch zwischen Band und Seitenscheiben der Rolle eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden kann. Auf diese Weise können Zug- und Druckkräfte in Längsrichtung des Bandes auf die Rolle übertragen werden. Band und Rolle sind somit zug-, druck- und biegesteif miteinander verbunden, können aber in Wickelrichtung des Bandes frei zueinander bewegt werden.

Von Vorteil ist es, wenn mindestens eine der Seitenscheiben eine Außenver- zahnung aufweist, in die ein Zahnrad der Antriebseinheit eingreift. Dabei hat sich die Verwendung eines Stirnrads bzw. eines Kegelrads als besonders günstig erwiesen. Die Seitenscheiben dienen bei dieser Ausführung als Ritzel und werden von dem Zahnrad der Antriebseinheit angetrieben. Auf diese Weise kann die von der Antriebseinheit erzeugte Bewegung besonders günstig auf die Rolle übertragen werden. Alternativ kann auch der Rollenzylinder an seinem freistehenden Ende mit einer Verzahnung versehen werden, in die das die Rolle antreibende Zahnrad eingreift.

Die Antriebseinheiten umfassen nach einer vorteilhaften Ausführung jeweils einen Motor. Der Motor bewegt das Zahnrad und die mit diesem über die Seitenscheibe verbundene Rolle, was zum Aufwickeln bzw. Abwickeln des Bandes und damit zur Positionierung des Roboterarms führt. Es soll keine Einschränkung auf die Verwendung eines Motors als Antrieb erfolgen. Andere Antriebsmöglichkeiten sind denkbar.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die Antriebseinheiten mit einer Steuereinrichtung verbunden. Mittels Steuereinrichtung werden die zur Positionierung der Aktuatoren benötigten Stellsignale zur Verfügung gestellt. Im Speicher der Steuereinrichtung können für verschiedene Ar- beitsaufgaben unterschiedliche Steuerprogramme zum Steuern des Roboters abgespeichert sein, die entsprechend angewählt werden können.

Als besonders günstig haben sich Ausführungsformen erwiesen, bei denen ein einzelner Roboterarm von jeweils zwei, ein Spreizbandpaar bildenden Spreizbandaktuatoren gebildet wird. Die Wölbungen der Bänder jedes Roboterarms sind in diesem Fall entgegengesetzt zueinander angeordnet. Dadurch erhöht sich die Steifigkeit des Roboterarms, welche nun unabhängig von der jeweiligen Richtung der Krafteinwirkung ist.

Jedes Spreizbandpaar steht nach einer weitern vorteilhaften Ausführung mit einer Antriebseinheit in Verbindung. Dabei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Seitenscheiben der Rollen jedes Spreizbandpaars über ihre Außenverzahnungen ineinander greifen. Auf dies Weise kann die Bewegungsübertragung von der Antriebseinheit auf beide Rollen des Spreizbandpaares zueinander synchronisiert werden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine 3D-Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters;

Fig. 2 eine 3D-Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfin- dungsgemäßen Roboters;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Kopplungsmöglichkeiten von Rolle und Zahnrad einer Antriebseinheit.

Fig. 1 zeigt eine 3D-Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Roboters. Ein derartiger Roboter dient insbesondere zur Positionierung von Stückgütern in einem Arbeitsraum 01. Der Roboter besteht aus drei Roboterarmen, die von jeweils einem längenveränderlichen Aktuator 02 gebildet werden. Die Antriebe Roboterstruktur befinden sich oberhalb des Arbeitsraums 01 , wobei die Aktuatoren 02 von oben in den Arbeitsraum 01 hineingeführt sind. Dadurch kann der Einfluss der Gewichtskraft auf die Biegebelastung der Aktuatoren reduziert sowie die Druckbelastung der Aktuatoren um die Gewichtskraft verringert werden.

Als längenveränderliche Aktuatoren kommen hier Spreizbandaktuatoren 02 zum Einsatz. Spreizbandaktuatoren sind aus einer Rolle 03 und einem auf die Rolle aufwickelbaren, quer zur Wickelrichtung gewölbtem Band 04 aufgebaut. Das Band 04 besteht in der Regel aus Metall, welches entsprechend vorbehandelt wurde, um die gewünschte Steifigkeit in Längsrichtung und Federelastizität in Querrichtung aufzuweisen. Durch diese Vorbehandlung geht das Metallband, das im flachen Zustand im Wesentlichen nur auf Zug belastbar ist, im ausgerollten Zustand in eine Querschnittswölbung über. Dadurch gewinnt es an Druck- und Biegesteifigkeit und wird schmaler. Die Rolle 03 des Spreizbandaktuators 02 umfasst einen Rollenzylinder 05 und zwei Seitenscheiben 06 (siehe auch Fig. 3). Im auf die Rolle 03 aufgewickel- ten Zustand nimmt das Band 04 wieder seine ursprüngliche Breite ein, d. h. es weist dann keine Wölbung mehr auf. Durch diese Breitenänderung kann sich das Band 04 im aufgewickelten Zustand zwischen die Seitenscheiben 06 der Rolle 03 festklemmen, wodurch es zu einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Band 04 und Seitenscheiben 06 der Rolle 03 kommt. Band 04 und Rolle 03 sind auf diese Weise zug-, druck- und biegesteif miteinander verbunden, können aber in Wickelrichtung des Bandes 04 frei zueinander bewegt werden.

Mindestens eine der beiden Seitenscheiben 06 kann eine Außenverzahnung 09 (siehe Fig. 3) aufweisen. Diese kann geradeverzahnt oder schrägverzahnt ausgeführt sein. In diese Außenverzahnung greift ein Zahnrad 08 (siehe Fig. 3) einer Antriebseinheit 07 ein. Das Zahnrad 08 kann beispielsweise ein Stirnrad oder ein Kegelrad sein. Die Seitenscheibe 06 dient als Ritzel und wird von dem Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 angetrieben. Alternativ kann auch der Rollenzylinder 05 an einem freistehenden Ende, welches aus einer der Seitenscheiben 06 herausragt, eine Außenverzahnung 10 aufweisen. In diese Außenverzahnung 10 würde wiederum das Zahnrad 08 der Antriebs- einheit 07 eingreifen. Die Antriebseinheit 07 kann einen Motor umfassten, welcher das Zahnrad 08 und die mit diesem über die Seitenscheibe 06 verbundene Rolle 03 bewegt. Beim Bewegen der Rolle 03 wird das Band 04 auf- bzw. abgewickelt und dadurch die Positionierung des Roboterarms bewirkt.

Die Antriebseinheit 07 kann mit einer Steuereinrichtung (nicht dargestellt) in Verbindung stehen. Durch die Steuereinrichtung werden die zur Positionierung der Aktuatoren 02 benötigten Stellsignale zur Verfügung gestellt.

Die Aktuatorenden sind zu einer Plattform 11 zusammengeführt, welche entsprechend des jeweiligen Stellsignals im Arbeitsraum 01 bewegt werden kann. An der Plattform 11 ist beispielsweise ein Greifer oder ein anderes Werkzeug befestigt.

Die drei Roboterarme gehen von Antrieben 07 aus, welche bezogen auf ein Lot zwischen der Plattform 11 und einer Basisfläche 12 des Arbeitsraums 01 an verschiedenen Winkelpositionen eines maximalen Arbeitskreises, dessen Ebene von dem genannten Lot durchdrungen wird, angeordnet sind.

Durch abgestimmte Betätigung der Aktuatoren kann die Plattform 11 beliebige Positionen im Arbeitsraum anfahren. In allen Fällen werden alle Spreizbänder unter mechanischer Spannung gehalten, so dass kein Spreizband durchhängt. Die aus dem Gewicht der Plattform resultierenden Kräfte wer- den auf die Aktuatoren verteilt, wobei im statischen Zustand nur Zug- und Druckkräfte auf die Spreizbänder wirken.

Sofern die Plattform nur in einer Ebene bewegt werden muss, die senkrecht zur Basisfläche 12 des Arbeitsraums 01 steht, sind bei einer abgewandelten Ausführungsform auch zwei Aktuatoren 02 ausreichend, deren Spreizbänder 04 sich in dieser Ebene erstrecken. Die Plattform lässt sich in diesem Fall in dieser Ebene bewegen, so dass bezogen auf die Basisfläche linienförmige Positionierungsaufgaben erfüllt werden können.

Bei nochmals abgewandelten Ausführungsformen können auch vier oder mehr Spreizbandaktuatoren an einer Plattform angreifen. Durch eine höhere Anzahl von Aktuatoren entstehen zwar besondere Anforderungen an die Steuerung, jedoch lassen sich größere Kräfte und Beschleunigungswerte erzielen.

Fig. 2 zeigt eine 3D-Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Roboters 01. Im Unterschied zur bereits beschriebenen Ausführung werden die Roboterarme hier von jeweils zwei, ein Spreizbandpaar bildende Spreizbandaktuatoren 02 gebildet. Die Querschnittswölbungen der Bänder 04 jedes Roboterarms sind entgegengesetzt zueinander angeordnet, so dass sich die Steifigkeit des Roboterarms erhöht und nun richtungsunabhängig ist. Ein Spreizbandpaar wird von ein und derselben Antriebseinheit 07 gesteuert. Zur Synchronisierung der beiden Rollen 03 des Spreizbandpaars greifen die Außenverzahnungen 09 der Seitenscheiben 06 ineinander ein. Eine der beiden Seitenscheiben 06 kann zusätzlich über seine Außenverzahnung 09 mit einem Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 in Verbindung stehen.

Alternativ kann der Antrieb der Rollen 03 natürlich auch hier über eine am freistehenden Ende des Rollenzylinders befindliche Außenverzahnung, in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift, realisiert werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kopplungsmöglichkeiten von Rolle und Zahnrad der Antriebseinheit. Dargestellt sind zwei Spreizbandak- tuatoren 02, die auf unterschiedliche Weise mit jeweils einem Zahnrad 08 ihrer zugehörigen Antriebseinheit 07 verbunden sind. Der links dargestellte Spreizbandaktuator 02 weist an einer Seitenscheibe 06 eine Außenverzah- nung 09 auf, in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift. Rechts ist ein Spreizbandaktuator 02 dargestellt, der ebenfalls eine Außenverzahnung 09 an einer seiner Seitenscheiben 06 aufweist. Die Kopplung zur Antriebseinheit 07 erfolgt in diesem Fall jedoch nicht über die Seitenscheibe 06, sondern über den Rollenzylinder 05. Hierzu ist dieser so ausgeführt, dass er an seinem freistehenden, aus einer der Seitenscheiben 06 herausgeführten Ende, eine Außenverzahnung 10 aufweist, in die das Zahnrad 08 der Antriebseinheit 07 eingreift.

Bezugszeichenliste

01 Arbeitsraum

02 Spreizbandaktuator 03 Rolle

04 Band

05 Rollenzylinder

06 Seitenscheibe

07 Antriebseinheit 08 Zahnrad

09 Außenverzahnung der Seitenscheibe

10 Außenverzahnung des Rollenzylinders

11 Plattform

12 Basisfläche des Arbeitsraums