Roboter mit Delta-Kinematik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Roboter mit Delta-Kinematik, umfassend eine Roboterbasis, an deren Umfang wenigstens drei bewegbare Steuerarme angebracht sind, und eine Werkzeugaufnahme, die mittels der Steuerarme mit der Roboterbasis verbunden ist.

Derartige Roboter sind grundsätzlich bekannt und werden auch als Delta- Roboter oder Parallelroboter bezeichnet. Die Roboterbasis ist meist ortsfest an einem Rahmen oder einem Gestell angeordnet, und die Steuerarme sind mittels geeigneter motorischer Antriebe relativ zu der Roboterbasis bewegbar. Durch eine Bewegung der Steuerarme relativ zu der Roboterbasis wird auch die mit den Steuerarmen verbundene Werkzeugaufnahme bewegt, welche einen Endeffektor, wie z.B. einen Greifer oder eine Vakuumsaugvorrichtung, tragen kann. Durch eine geeignete Ansteuerung der motorischen Antriebe der Steuerarme kann der Endeffektor an einen be- liebigen Ort innerhalb eines Arbeitsraums bewegt werden, welcher durch die Summe aller durch die Kinematik grundsätzlich anfahrbaren Punkte definiert ist.

Roboter der genannten Art werden beispielsweise im Bereich der Lebens- mittelindustrie als sogenannte "Pick and Place"-Roboter zum Umsetzen von Produkten von einem Aufnahmebereich in einen Ablagebereich eingesetzt. Das Raumgebiet, innerhalb welchem das Umsetzen von Produkten gemäß den jeweiligen Anwendungsvorgaben stattfindet, wird hier als Nutzraum bezeichnet. Zum Durchführen der gewünschten Umsetzaufgabe muss der Nutzraum vollständig innerhalb des Arbeitsraums liegen. Das Verhältnis der Rauminhalte von Nutzraum und Arbeitsraum wird als Nutzungsgrad bezeichnet. Dabei besteht das Problem, dass insbesondere im Bereich der Lebensmittelindustrie eingesetzte "Pick and Place" -Roboter oft keinen optimalen Nutzungsgrad aufweisen, worunter letztlich die Wirtschaftlichkeit des Roboterbetriebs leidet. Insbesondere benötigen Roboter mit einem geringen Nutzungsgrad relativ viel Platz. Darüber hinaus kann die Abweichung zwischen Nutzraum und Arbeitsraum derart sein, dass die kinematischen Eigenschaften des Roboters, wie z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigungsvermögen und Traglast, bei einer vorgegebenen Anwendung ungünstig sind.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Roboter mit Delta- Kinematik hinsichtlich seiner kinematischen Eigenschaften und seines Nutzungsgrads zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch einen Roboter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die Steuerarme ungleichmäßig um den Umfang der Roboterbasis verteilt angeordnet sind.

Durch die ungleichmäßige Anordnung der Steuerarme lässt sich der Arbeitsraum des Roboters gezielt an die Form und/ oder die Größe eines vorgegebenen Nutzraums anpassen und dadurch ein höherer Nutzungsgrad erreichen. Dies wiederum bedeutet, dass der Roboter bei vorgegebe- nem Nutzraum kleiner dimensioniert werden kann, was nicht zuletzt den zur Installation des Roboters benötigten Platzbedarf reduziert. Weiterhin ist die Übertragungsfunktion, welche die kinematischen Eigenschaften des Roboters beschreibt, verbessert, was zu einer wesentlichen Steigerung der Effizienz des Roboters führt. Beispielsweise kann durch eine ungleichmäßige Anordnung der Steuerarme erreicht werden, dass der Arbeitsraum des Roboters eine langgestreckte Form aufweist. Insbesondere bei länglichen, z.B. rechteckigen oder quaderförmigen, Nutzräumen, wie sie beispielsweise bei typischen "Pick and Place "-Aufgaben häufig vorkommen, bei denen Produkte z.B. von einem Förderband in eine Verpackungsmaschine umgesetzt werden, führt ein derartiger langgestreckter Arbeitsraum zu einer verbesserten Übertragungsfunktion und einem erhöhten Nutzungsgrad. Insgesamt lässt sich durch die ungleichmäßige Verteilung der Steuerarme entlang des Umfangs der Roboterbasis also ein wirtschaftlicherer Betrieb des Roboters erreichen. Vorteilhafterweise ist der Grad der Abweichung von einer gleichmäßigen Verteilung dabei im Hinblick auf das Geschwin- digkeits- und/ oder Kraftprofil der Steuerarmbewegung optimiert.

Der erfindungsgemäße Roboter eignet sich besonders gut für einen Einsatz in der Lebensmittelindustrie, insbesondere zum Umsetzen von Lebensmitteln von einem ersten Förderband auf ein zweites Förderband oder auch von einem Förderband in in einer Verpackungsmaschine bereitge- stellte Verpackungen. Bei den Lebensmitteln kann es sich dabei um geschnittene Lebensmittel oder Portionen von beispielsweise gestapelten oder geschindelten Produktscheiben handeln, z.B. Wurst- oder Käsescheiben, welche durch eine Schneidvorrichtung, z.B. einen Slicer bzw. Hoch- leistungs-Slicer, von einem Produktlaib abgetrennt werden.

Bevorzugte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Steuerarme in ungleichen Win- kelabständen um die Roboterbasis herum angeordnet, d.h. die Winkelab- stände benachbarter Steuerarme sind nicht alle gleich groß. Dies bedeutet eine Abkehr von der in der Fachwelt bislang üblichen Praxis, die Steuerarme von Delta-Robotern gleichmäßig, d.h. also mit konstanten Winkelabständen, um die Roboterbasis herum verteilt anzuordnen.

Insbesondere können die Winkelabstände zwischen einem ersten Steuerarm und einem zweiten Steuerarm sowie zwischen dem ersten Steuerarm und einem dritten Steuerarm gleichgroß und größer als der Winkelabstand zwischen dem zweiten Steuerarm und dem dritten Steuerarm sein. Im Falle von drei vorhandenen Steuerarmen ergibt sich somit eine Y- förmige Anordnung der Steuerarme, wobei die beiden oberen Schenkel des Y in einem relativ kleineren Winkelabstand zueinander angeordnet sind. In einer Konfiguration mit vier vorhandenen Steuerarmen kann die Anordnung der Steuerarme die Form eines zusammengedrückten X aufwei- sen.

Vorzugsweise liegt der Winkelabstand zwischen dem zweiten Steuerarm und dem dritten Steuerarm zwischen 40° und 80° und insbesondere im Bereich von 60°. Eine derartige Anordnung hat sich vor allem in Bezug auf das Kraft- und Geschwindigkeitsprofil des Roboters als günstig erwiesen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens zwei der Steuerarme in Bezug auf eine gleichmäßige Anordnung aller Steuerarme quer zu einer Vorzugsrichtung auf einander zu versetzt.

Vorteilhafterweise entspricht die Vorzugsrichtung einer Hauptarbeitsrichtung des Roboters, d.h. derjenigen Richtung, in welcher der Roboter überwiegend Produkte umsetzt. Somit kann der Arbeitsraum des Roboters entsprechend dessen überwiegender Tätigkeit ausgerichtet werden. Durch das Zusammenrücken zweier Steuerarme im Vergleich zu einer gleichmä- ßig verteilten Anordnung aller Steuerarme wird der durch den Roboter benötigte Bauraum verringert, was es unter anderem ermöglicht, quer zu der Vorzugsrichtung gesehen eine größere Anzahl von Robotern nebeneinander in einem vorgegebenen Raumbereich anzuordnen.

Grundsätzlich kann die Vorzugsrichtung aber auch relativ zur Hauptarbeitsrichtung verdreht sein, beispielsweise um das Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofil des Roboters weiter zu verbessern. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Steuerarme unterschiedlich lang ausgeführt. Eine derartige Ungleichmäßigkeit in der Armlänge kann eine ungleichmäßig um den Umfang der Roboterbasis verteilte Anordnung der Steuerarme für eine Anpassung des Arbeitsraums an den Nutzraum ergänzen.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weisen die Steuerarme jeweils einen an der Roboterbasis verschwenkbar gelagerten oberen Armabschnitt und einen an dem oberen Armabschnitt angelenkten und zu der Werkzeugaufnahme führenden unteren Armabschnitt auf, wobei die unte- ren Armabschnitte als unterschiedlich breite Parallelogramme ausgeführt sind. Durch den Einsatz unterschiedlich breiter Parallelogramme lässt sich auch bei ungleichmäßig verteilt angeordneten Steuerarmen eine optimale Stabilität des Roboters sicherstellen. Bevorzugt sind die Parallelogramme von Steuerarmen, die in Abweichung von einer gleichmäßigen Anordnung einen kleineren Winkelabstand zueinander aufweisen, schmaler ausgeführt als das Parallelogramm des übrigen Steuerarms bzw. die Parallelogramme der übrigen Steuerarme.

Schmal ausgebildete Parallelogramme lassen sich in einem geringeren Winkelabstand zueinander anordnen, was die ungleichmäßige Anordnung der Steuerarme erleichtert. Ein breites Parallelogramm oder mehrere breite Parallelogramme besitzt bzw. besitzen hingegen eine höhere Eigenstabilität. Prinzipiell kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe der Verbesserung des Nutzungsgrads auch durch eine unterschiedlich lange Ausführung der Steuerarme für sich genommen gelöst werden, insbesondere bei einer gleichmäßig um den Umfang der Roboterbasis verteilten Anordnung der Steuerarme. Erfindungsgemäß wird deshalb auch ein Roboter mit Delta- Kinematik in Betracht gezogen, der eine Roboterbasis, an deren

Umfang wenigstens drei bewegbare Steuerarme angebracht sind, und eine Werkzeugaufnahme umfasst, die mittels der Steuerarme mit der Roboterbasis verbunden ist, wobei die Steuerarme unterschiedlich lang ausgeführt sind.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines Delta-Roboters

gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt den Roboter gemäß Fig. 1 in einer Draufsicht. Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines erfindungsgemäßen

Delta-Roboters.

Fig. 4 zeigt den Roboter gemäß Fig. 3 in einer Draufsicht. In Fig. 1 und 2 ist ein Delta-Roboter gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Roboter umfasst eine Werkzeugaufnahme 11 , die über drei Steuerarme 13, 14, 15 mit einer Roboterbasis 16 verbunden ist. Durch die Mitte der Roboterbasis 16 erstreckt sich eine gedachte Zentralachse Z, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel vertikal angeordnet ist. Sind die Steuerarme 13, 14, 15 - wie im dargestellten Ausführungsbeispiel - alle gleich lang ausgebildet, so verläuft die Zentralachse Z bei maximaler Streckung aller Steuerarme 13, 14, 15 nicht nur durch die Roboterbasis 16, sondern auch durch die Werkzeugaufnahme 11.

Jeder Steuerarm 13, 14, 15 umfasst einen oberen Armabschnitt 17 und einen unteren Armabschnitt 19, die beispielsweise in Form von dünnwandigen Rohren aus Edelstahl oder Kunststofffaser ausgeführt sind. Die unteren Armabschnitte 19 sind in an sich bekannter Weise als Parallelo- gramme ausgeführt, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Die Parallelogramme der unteren Armabschnitte 19 sind mittels Kugelgelenken 21 sowohl mit dem jeweils zugeordneten oberen Armabschnitt 17 als auch mit der Werkzeugaufnahme 11 gelenkig verbunden. Wie aus der Draufsicht gemäß Fig. 2 hervorgeht, sind die oberen Armabschnitte 17 der Steuerarme 13 entlang eines gedachten Kreises jeweils an einem Umfangsabschnitt 23 der Roboterbasis 16 angebracht und um 120° zueinander versetzt um die Zentralachse Z herum angeordnet, d.h. sie weisen gleiche Winkelabstände zueinander auf.

Die oberen Armabschnitte 17 der Steuerarme 13 sind vertikal verschwenkbar an der Roboterbasis 16 gelagert, wobei zum Verschwenken der oberen Armabschnitte 17 jedem oberen Armabschnitt 17 ein nicht dargestellter Antrieb zugeordnet ist, welcher einen Elektromotor ein- schließlich Getriebe und Lagerung umfasst. Die Roboterbasis 16 kann an einer geeigneten ortsfesten Trägerstruktur, auch Zellenkonstruktion genannt, montiert sein, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist.

Die Werkzeugaufnahme 11 weist eine Gelenkplatte 25 auf, an welcher ein nicht dargestellter Endeffektor des Roboters, z.B. ein Greifer oder eine Vakuumsaugvorrichtung, anbringbar ist. Der Endeffektor kann ferner um eine zur Gelenkplatte 25 senkrechte Achse, welche auch als vierte Achse bezeichnet wird, verdrehbar sein. Durch Bewegen der Steuerarme 13, 14, 15 und Betätigen des Endeffektors in der Werkzeugaufnahme 11 kann der Roboter zum Umsetzen von Produkten von einem Aufnahmebereich in einen Ablagebereich verwendet werden. Die Menge aller Positionen, in welche die Werkzeugaufnahme 11 mit dem Endeffektor durch geeignete Bewegung der Steuerarme 13, 14, 15 bewegt werden kann, bildet einen Arbeitsraum 30 des Roboters. Aufgrund der gleichmäßigen Anordnung und der gleichartigen Ausbildung der Steuerarme 13, 14, 15 weist der Arbeitsraum 30 des Roboters gemäß Fig. 1 und 2 die Form einer Halbkugel auf.

Dabei ist der Roboter derart dimensioniert und angeordnet, dass ein durch die Anwendung vorgegebener Nutzraum 35 vollständig innerhalb des Arbeitsraums 30 liegt. Der Nutzraum 35 ist im dargestellten Beispiel rechteckig bzw. quaderförmig und weist eine Längsachse auf, die einer

Vorzugsrichtung V der durch den Roboter zu bewältigenden Umsetzaufgabe entspricht. In Fig. 3 und 4 ist ein Roboter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welchem für äquivalente Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden wie in Fig. 1 und 2. Der erfindungsgemäße Roboter unterscheidet sich von dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Roboter durch eine Optimierung des Arbeitsraums 30' hinsichtlich des quaderförmigen Nutzraums 35, um so die Übertragungsfunktion und den Nutzungsgrad des Roboters zu verbessern. Zu diesem Zweck sind die Steuerarme 13, 14, 15 des erfindungsgemäßen Roboters nicht in gleichen Winkelabständen von 120° um die Zentralachse Z herum am Umfangsab schnitt 23 der Roboterbasis 16 angeordnet, sondern zwei der Steuerarme 14, 15 sind um einen Winkel W von 60° zueinander beabstandet, wodurch sich für die beiden übrigen Winkelabstände jeweils ein gleicher Wert von 150° ergibt.

Der Arbeitsraum 30' des Roboters ist somit langgestreckt, wobei die

Längsachse in der Vorzugsrichtung V verläuft. Quer zu der Vorzugsrichtung V ist der Arbeitsraum 30' des Roboters gestaucht.

Wie insbesondere in Fig. 4 zu erkennen ist, ist die äußere Abmessung des Roboters quer zu der Vorzugsrichtung V reduziert. Trotzdem bleibt aber die vollständige Überdeckung des länglichen Nutzraums 35 durch den Arbeitsraum 30' erhalten.

Der Grad der Abweichung von der gleichmäßigen Anordnung ist hinsichtlich der Form und der Größe des vorgegebenen Nutzraums 35 optimiert, wobei die Optimierung unter zusätzlicher Berücksichtung von durch die Geschwindigkeits-, Beschleunigungs- und Kraftprofile des Roboters vorge- gebenen Bedingungen erfolgt. Um eine ungestörte Bewegung der beiden im geringeren Winkelabstand W angeordneten Steuerarme 14, 15 zu gewährleisten, sind die Parallelogramme der unteren Armabschnitte 19 dieser Steuerarme 14, 15 gegen- über einem üblichen Wert schmaler ausgebildet. Gleichzeitig ist das Parallelogramm des unteren Armabschnitts 19 des allein stehenden Steuerarms 13 zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität verbreitert.

Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist es zusätzlich möglich, die Steuerarme unterschiedlich lang auszubilden, so dass wenigstens einer der Steuerarme länger als die beiden übrigen Steuerarme ist. Diese Art der Ungleichmäßigkeit kann eine ungleichmäßige Verteilung der Steuerarme entlang des Umfangs der Roboterbasis ergänzen. Grundsätzlich ist aber es auch möglich, den Arbeitsraum ausschließ- lieh, d.h. also auch bei einer Anordnung der Steuerarme in gleichen Winkelabständen, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, durch eine unterschiedlich lange Ausbildung der Steuerarme an den gewünschten Nutzraum anzupassen.

Bezugszeichenliste

11 Werkzeugaufnahme

13, 14, 15 Steuerarm

16 Roboterbasis

17 oberer Armabschnitt

19 unterer Armabschnitt 21 Kugelgelenk

23 Umfangsabschnitt

25 Gelenkplatte

30, 30' Arbeitsraum

35 Nutzraum

Z Zentralachse

V Vorzugsrichtung

w Winkelabstand