用于协作型机器人的工具、带有固定在其上的工具的机器人以及防碰撞方法与流程

[0001]
本发明涉及一种用于协作型机器人的工具。此外，在本发明的范围内还提出一种协作型机器人，其具有可运动的机器人臂，在该机器人臂的自由端上在工具容纳部上固定有根据本发明的工具。此外，本发明涉及一种防碰撞方法，该防碰撞方法用于在协作型机器人与固定在其上的根据本发明的工具碰撞接触时安全地进行关断。


背景技术：

[0002]
装配操作的自动化非常迅速地发展并且在将来将具有更高的价值。一方面，通过自动化措施提高各种装配工作的效率，并且另一方面，实现待装配的组件的越来越快且尽可能无错误的组装。越来越多地创建如下工作场所，其中机器人和作为操作人员的人在同一工件处在相同的工作场所中在相同的工作空间中共同作业。
[0003]
现有技术已经公开了用于机器人的防过载和防碰撞装置的大量实施方案，其大多布置在机器人和待由机器人使用的工具之间，该工具固定在机器人的工具容纳部上，以便在工具撞到障碍物时防止损坏。例如，从文献de 199 25 688 a1 、de 103 91 972 t5 和de 36 05 505 a1 已知防过载装置的不同的实施方式。
[0004]
由文献de 10 2017 217 882 a2 已知一种用于机器人或配备有该机器人的防碰撞装置。该防碰撞装置具有安装在机器人的驱动部件上的第一主体。此外，在防碰撞装置中设置有如下第二主体，该第二主体设计用于与机器人的末端执行器耦联。末端执行器尤其是构造为抓手。第二主体通过具有弹簧机构的预紧机构相对于第一主体柔性地预紧到基础位置中，第二主体可通过外部的力和/或转矩作用克服预紧机构的预紧力从该基础位置偏转出来。为了在人机协作型时降低对人的受伤风险，在该防碰撞装置中规定，预紧机构除了弹簧机构之外还具有引起负压的负压机构，由负压机构产生与弹簧机构的作用方向相同指向的负压力并且给所述负压机构配设有触发装置，当第二主体由于作用到其上的外部触发力而从基础位置偏转出来时，通过该触发装置可引起负压的消除。
[0005]
在此，由于通过弹簧机构产生的弹簧力以及通过负压机构引起的附加的、相同指向的负压力的叠加，因此产生了组合的预紧力。为负压机构配设有如下触发装置，当第二主体在与人碰撞而偏转时，该触发装置消除负压。
[0006]
此外，在de 10 2017 217 882 a2 中说明了一种机器人，该机器人具有前述意义上构造的防碰撞装置，其中，驱动部件布置在防碰撞装置的第一主体上，而末端执行器或抓手布置在防碰撞装置的第二主体上。
[0007]
这种实施方案的缺点至少在于，在与人碰撞的情况下，虽然取消了负压力，然而通过弹簧机构产生的弹簧力以及摩擦力还作为可能一如既往地存在的触发力的预紧力起反作用，该预紧力是通过与人的持续不断的碰撞接触引起的。换句话说，在由de 10 2017 217 882 a2 已知的装置中，在与人碰撞的情况下，虽然在机器人抓取臂和相应的人体部位之间存在的预紧力通过取消负压力而减小，但是由于分别预设的弹簧力以及作用的摩擦力而使
得减小的预紧力在持续不断的碰撞接触期间仍然得到维持。在预设的弹簧力设定得过高或者设定的弹簧力在机器人运行期间已经调节的情况下，在这种情况下过高的预紧力也会起作用。因此，碰撞物体或人在碰撞情况下不利地承受与被规定或允许的触发力相比更大的反作用力。因为碰撞力与多个因素、例如与触碰的身体部位的缓冲特性和疼痛感觉以及机器人壳体上的碰撞点有关并且还与相对质量高度有关，所以该防碰撞装置在人机协作时也会不利地导致对相关人的不可容忍的伤害。
[0008]
此外，由de 10 2017 218 229 a1 已知一种用于工业机器人的保护装置，该保护装置作为保护罩包围机器人的至少一个外壁区段。外侧的保护罩由塑料制成的成型件组成，这些成型件具有导电的导电层，其中，在碰撞情况下在机器人与障碍物、像比如人接触时借助于相应的传感机构触发机器人的紧急关断。在碰撞的情况下，传感机构探测由于障碍物和导电层之间的电势均衡引起的电阻的变化。这种保护装置的缺点至少在于，外侧的保护罩只保护机器人的可运动的部件，即例如关节臂机器人的关节臂部件。有意地从保护罩中省去通常布置在关节臂机器人的前面的自由端上并且用于保持和引导任意工具的工具容纳部。然而这意味着，利用该保护装置，直接在固定在机器人的工具容纳部上的工具与障碍物或人之间出现的所有那些特别危险的碰撞完全不能被保护罩检测到。此外，该保护装置仅当障碍物或人相对于导电的导电层的电势不电绝缘时才起作用。
[0009]
因此，根据de 10 2017 218 229 a1 的保护装置由于对此不充分的安全措施而不适用于协作型机器人应用，在该协作型机器人应用中工业机器人通常也引导和操纵至少一个工具。
[0010]
通常，协作型机器人应用仅包括人和机器在不使用另外的保护装置的情况下直接彼此靠近或一起工作的那些应用。用于这种协作型机器人应用的安全导向的监测的要求是相应严格的并且在多个规则集中予以确定。因此，对于协作型机器人应用的规划、设计和运行要注意多种标准和规则集。为此，例如可以以其各自最新的形式以及像比如参与控制机构的与安全相关的部件的安全特定的标准en iso 13849的标准以及与工业机器人的安全要求相关的标准en iso 10218来考虑欧洲委员会的机器准则2006/42/eg。此外，技术规范iso ts 15066关于人机器人协作（mrk）中的操作安全性将工业机器人的有效标准更新至当前现有技术。
[0011]
在en iso 13849标准中，提供了包括软件开发的用于机器的控制机构的安全性相关的部件的设计和集成的安全要求和指导。在此确定了对于实施相应的安全功能所需的那些部件的特性。此外，其中还描述了一种可能的用于通过在控制机构中相应地使用安全功能来确定所需的风险降低措施的方法。在此，风险降低的程度作为性能等级（pl）来描述，其中性能等级pl目前被划分为五个等级（从最低等级pl＝a开始直至最高等级pl＝e）。
[0012]
性能等级（pl）是描述控制机构的安全性相关的部件在可预测条件下实施安全功能的能力的值。
[0013]
作为每个安全功能的预先定义的目标值，使用所需的性能等级（要求的性能等级；plr），所述性能等级基于以下三个参数，即可能的受伤的严重程度、危险暴露的频率和持续时间以及避免危险的可能性，对于每个单个的安全功能而言实现所需的风险缓解。因此，控制机构中与安全性相关的部件的性能等级（pl）必须大于或等于所需的性能等级（plr）。例如，对于根据性能等级d （pl＝d）的第二最高安全功能而言，当前确定每小时带来危险的事
故的概率是0.00001%到0.0001% （从10-7
到10-6
）。
[0014]
根据发明人的知识，由于在当前技术规范iso ts 15066中确定的、用于力作用和压力作用的最大允许值（参见按照iso ts 15066的附件a的身体区域模型），在人机器人协作（mrk）中利用传统的防碰撞装置不能使用用于协作型应用的工具、尤其是旋拧工具，所述工具至少满足按照性能等级d （en iso 13849）的第二最高安全功能的标准并且所述工具的使用确保对于与相应的机器人共同作业的人有相应小的受伤和事故危险。


技术实现要素：

[0015]
因此，本发明的任务在于，克服由现有技术已知的在协作型机器人领域中的防碰撞装置的缺点，并且提供一种具有改善的防碰撞装置的工具，其用于固定在机器人抓取臂的工具容纳部上，该工具满足上述的人机器人协作的安全标准，并且利用该工具确保了协作型工业机器人的安全导向的监测。根据本发明的另一任务是提供一种装配有根据本发明的工具的协作型机器人，该协作型机器人满足上述安全标准。
[0016]
此外，本发明的任务在于，提供一种用于协作型工业机器人的工具置入件的防碰撞方法，该防碰撞方法满足人机器人协作的上述安全标准。
[0017]
根据本发明，该任务在一种所述类型的工具中通过在权利要求1的特征部分中说明的特征来实现。本发明的有利的设计方案和改良方案在从属权利要求和说明书中得到阐述。
[0018]
根据本发明，一种用于协作型机器人的工具包括：
-ꢀ
工具壳体；
-ꢀ
用于将所述工具固定在所述机器人的工具容纳部上的机器人法兰；
-ꢀ
工具驱动装置；
-ꢀ
用于容纳能够更换的工具置入件的工具置入件支架；
-ꢀ
能够固定在该工具置入件支架上的工具置入件；
-ꢀ
抗扭转的驱动轴，该驱动轴用于将驱动转矩从工具驱动装置传递到工具置入件支架连同工具置入件上，其中
-ꢀ
所述驱动轴在用于传递驱动转矩的旋转运动期间在其轴方向上可移动地得到支承；其中
-ꢀ
所述工具置入件支架连同所述工具置入件借助于所述驱动轴与所述工具驱动装置以运动方式耦联并且以能够在轴方向上以一个行程长度为幅度在所述工具置入件支架的收回的基础位置与移出的工作位置之间运动的方式被可移动地支承；
-ꢀ
具有双通道监测装置的防碰撞装置，该双通道监测装置具有第一和第二位置检测机构，其与能够存储器编程的控制装置以信号方式连接；
-ꢀ
防碰撞罩，该防碰撞罩与工具置入件的轴方向同轴地布置在工具的自由端上，并且在该防碰撞罩的内部所述工具置入件位于工具置入件支架的基础位置中；其中
-ꢀ
防碰撞罩关于工具壳体可运动地得到支承，并且与可在轴方向上移动地支承的挺杆以运动方式耦联；其中
-ꢀ
在与防碰撞罩碰撞接触时，能够由两个位置检测机构中的至少一个来检测挺杆在轴方向上的位置变化，并且防碰撞装置被设置用于在挺杆位置变化时激活工具停止运转机构
以便使得工具驱动装置停止运转，其中，工具置入件支架返回其基础位置并且工具置入件在该基础位置中位于防碰撞罩内部。
[0019]
有利地，在根据本发明的工具中，防碰撞装置集成到工具中，并且两个设置用于防碰撞罩的或与防碰撞罩以运动方式耦联的挺杆的位置变化的双通道监测的位置检测机构由工具壳体保护地位于工具内部中以防止外部损伤。
[0020]
抗扭转的驱动轴将驱动转矩从工具驱动装置传递到工具置入件支架上，该工具置入件支架优选构造为适配器并且在该工具置入件支架上根据工具的任务而定可固定不同的工具置入件。在该旋转运动期间，驱动轴套筒和驱动轴仅以小的摩擦力在轴向方向上移动。这种抗扭转的驱动轴提供的优点是，与驱动轴以运动方式耦联的工具置入件支架连同固定或套装在其上的工具置入件也可以在旋转运动期间或在转矩传递期间沿驱动轴的轴向方向移动。为此，可以使工具置入件支架连同固定在其上的工具置入件在驱动轴的或与其同轴布置的工具置入件的轴方向上以一个行程长度为幅度在工具置入件支架的基础位置与工作位置之间进行移动。在收回的基础位置上，相应的工具置入件，例如螺丝刀头、钻头或铣刀固定地位于防碰撞罩内部，该防碰撞罩与工具置入件同轴地布置并且在外侧包围该工具置入件。在这个收回的基础位置中，工具置入件不能被接触，因此，由于与工具置入件接触而可能产生的伤害被排除。
[0021]
在使用工具的情况下，为了根据任务和正好固定的工具置入件例如在工件上旋入螺栓、钻出钻孔或者铣削工件的一个区段，工具置入件支架连同固定在其上的工具置入件从基础位置以一个行程长度为幅度移动到其工作位置中。为此，工具优选固定在协作型机器人的工具容纳部上，但是也可以例如在工作场所上以一定的位于待加工的工件上方的间距固定在三脚架（stativ）上。
[0022]
在工作位置上，防碰撞罩尽可能靠近待加工工件的表面或者直接贴靠在相关工件的表面上。防碰撞罩这样构成，使得当在工具的自由端上相应的工具置入件或者例如在螺丝刀中螺栓从防碰撞罩中露出并且与待加工的工件接触时，在工作位置上也尽可能保护防碰撞罩以防止直接接触。
[0023]
在此，工具置入件的进给（vorschub），也就是工具置入件支架的或固定在其上的工具置入件的基础位置和移出的工作位置之间的行程长度，由能够存储器编程的控制装置借助于工件的预先定义的尺寸和/或借助于根据其他位置检测机构、像比如光栅或接近开关的数据进行控制是有利的。对于工具置入件在轴方向上的进给，应理解为抗扭转的驱动轴的轴向补偿与行程驱动装置（例如气动驱动装置）的相应的配合作用，所述行程驱动装置用于使工具置入件支架在轴方向上以行程长度为幅度进行移动。为此适宜地，工具置入件支架可以固定在行程滑座上，该行程滑座借助于行程驱动装置的一个或多个导轨使工具置入件支架在基础位置与工作位置之间在轴方向上移动。
[0024]
挺杆用于在碰撞接触时将防碰撞罩的位置变化传递到防碰撞装置的位置检测机构上。如果防碰撞罩在侧向方向和/或在轴向方向上偏转，则挺杆在轴向方向上移动，这由防碰撞装置检测到。
[0025]
适宜的是，防碰撞罩和挺杆的机械偏转不需要被确认（quittieren）。在取消碰撞时的外部力作用之后，即当取消机械碰撞接触时，挺杆由于集成的弹簧而自动地运动回到其初始位置中。
[0026]
为了满足前述的安全要求，双通道监测装置是必要的并且根据性能等级d （pl = d）的预给定来规定。为了最佳地利用工具壳体内的现存的小的结构空间，设置两个单独的位置检测机构以用于挺杆的位置检测。两个位置检测机构例如可以是感应式接近开关、电容式接近开关、磁性的接近开关、光学的接近开关、光栅或者超声波接近开关，它们与能够存储器编程的控制装置以信号方式连接。
[0027]
当挺杆位置变化时，由于与防碰撞罩的碰撞接触，两个位置检测机构必须在存储在控制程序中的预先给定的时间差内共同地分别将控制信号从逻辑1变换到逻辑0或者相反。在正常运行中，两个位置检测机构都在逻辑1上。如果现在两个位置检测机构中的一个具有误差并且在防碰撞罩或挺杆偏转时没有变换到逻辑0，则另一位置检测机构触发工具停止运转机构并且停止工具驱动装置。因此，通过两个位置检测机构之一的可能的失效有利地使安全功能不无效。
[0028]
能够存储器编程的控制装置（sps）为自动化技术领域的技术人员充分地知晓。根据维基百科上的条目（参见https://de.wikipedia.org/wiki/speicherprogrammierbare_steuerung），能够存储器编程的控制装置在最简单的情况下具有输入端、输出端、操作系统和接口，通过所述接口可以加载用户程序。用户程序确定，应该如何根据输入端来切换输出端。操作系统在此确保，总是有当前的实时信息供用户程序使用。根据这些信息，用户程序可以这样切换输出端，使得机器或设备以期望的方式工作。
[0029]
sps与机器或者设备的连接利用传感器和执行器来进行。附加地还有状态显示。传感器连接到sps的输入端上并且将机器或者设备中的事件传输给sps。传感器的示例是例如按键、光栅、增量式编码器、限位开关、或还有温度传感器、液位传感器等。执行器附接到sps的输出端并且提供用于控制机器或设备的可能性。执行器的示例是用于接通电动机的保护机构、用于液压机构或压缩空气的电阀，但也可以是用于驱动控制（运动控制、具有受控制的加速或减速的转速控制、步进马达控制）的模块。
[0030]
sps能够以非常不同的方式实现，例如作为单个设备（“构件组”）、作为pc插卡、作为软件仿真等。广为传播的是模块化的解决方案，其中sps由单个插接模块（同样被称为构件组）组成。主题驱动控制（运动控制、具有受控的加速或减速的转速控制）越来越多地与sps连接。
[0031]
单个设备提供了在小型化方面的优点并且对于较小的自动化任务而言更为便宜。模块化的构造提供了模块化系统的典型优点：在较大的设备中通过使用多个相同的可以大量制造的模块实现了高灵活性、可扩展性，从而节省了成本。目前的sps构件组除了其控制和调节的核心任务之外还越来越承担另外的任务：可视化（人机接口的构造）、所有运行消息的报警和记录（数据记录）。
[0032]
同样，传感器和执行器与sps的连接越来越多地通过现场总线进行并且不再是离散的。由此降低了布线耗费。一段时间以来，不仅传感器和执行器而且sps的部件、如输入和输出构件组通过总线和（总线）接口模块连接到中央站（分散的外围设备）。在现代设备中，总线系统被网络（profi-net）取代或者由其补充。相对于总线系统，网络（以太网）更灵活和更快。
[0033]
最后，也越来越多地实现到企业的管理计算机上的连接（垂直集成）。因此，例如总是提供关于生产状态、库存等的当前数据（“联网的工厂”）。因此，现代plc与过程控制系统
之间的差异变得越来越小。
[0034]
集成在工具中的防碰撞装置与工具置入件支架的配对确保了满足开头所述的用于人机器人协作的安全标准，该工具置入件支架在碰撞接触时从碰撞位置以行程长度为幅度从工作位置收回到安全的远离碰撞位置的基础位置。
[0035]
在本发明的一种适宜的实施方案中，在工具停止运转机构被激活的情况下用于重新开始工具驱动的工具中设置有工具释放机构以用于确认故障（st
ö
rungsquittierung），其中，工具释放机构能由人操纵。有利地，根据本发明的工具在该实施方案中配备有如下安全系统，该安全系统在故障时例如由于与操作人员的碰撞接触而自动地使工具停止运转。为了确认该故障并且使与工具控制装置（sps）配合作用的停止运转机构去激活，设置有释放机构。该释放机构同样与工具控制装置配合作用，并且一方面用于使停止运转机构去激活并且又激活被停止的工具。工具释放机构为此必须由操作人员操纵。通常，同样与工具控制装置（sps）配合作用并且有利地布置在工具的或操作人员的直接工作区域的稍外侧的确认开关或确认按钮用于此任务，以防止对于故障的错误确认并且因此防止过早激活工具。
[0036]
特别有利的是，在根据本发明的工具中，第一位置检测机构和第二位置检测机构被设置用于同时且冗余地检测挺杆在轴方向上的位置变化，其中，对于挺杆的位置变化仅由两个位置检测机构中的一个探测到的情况，由能够存储器编程的控制装置来锁定工具释放机构以用于确认故障，直至防碰撞装置的故障被消除。
[0037]
如前所述，当挺杆由于与防碰撞罩的碰撞接触而位置变化时，两个位置检测机构必须在存储在控制程序中的预先给定的时间差内共同地分别将控制信号从逻辑1变换到逻辑0或者相反。在正常运行中，两个位置检测机构都在逻辑1上。如果第一以及第二位置检测机构的这种共同转换持续得比规定的或允许的更长，那么由此为出发点，即两个位置检测机构中的一个具有误差并且在防碰撞罩或挺杆偏转时不变换到逻辑0。有利地，在这种故障情况下虽然另一个位置检测机构触发一个工具停止运转机构并且工具驱动装置停止。然而，在本发明的有利的且特别安全的实施方式中规定，只有当事先消除了对于故障的原因并且例如更换了有缺陷的位置检测机构时，才可以确认所述故障。
[0038]
当防碰撞装置的两个位置检测机构是第一监测传感器、优选是第一感应式监测传感器并且是第二监测传感器、优选是第二感应式监测传感器时，根据本发明的工具可以特别耐用和紧凑地设计。
[0039]
监测传感器是可以定性地或作为测量参量定量地检测其周围环境的特定的特性的技术构件。这些参量被转换为可进一步处理的电信号。监测传感器在自动化过程中作为信号发生器起到重要作用。由它们检测的值或状态通常在所属的控制装置中得到处理，该控制装置触发相应的另外的步骤。
[0040]
感应式监测传感器基本上利用电感工作，产生磁场并且由传感器检测到的物体一旦其到达传感器的近区域中就改变磁场。通过该测量原理可以无接触地并且无磨损地测量物体的角度、位移或者说距离和速度。
[0041]
在根据本发明的工具中，该工具置入件可以选自这样的组，该组由以下组成：螺丝刀头、钻头、铣刀。
[0042]
将螺丝刀头作为工具理解为一种能够更换的、没有用于特定的螺栓头轮廓的抓手的螺丝刀刀刃（schraubendreherklinge）。容纳部这样成型，使得可将其装入到相应标准化
的工具置入件支架、所谓的工具头支架（bithalter）中。在螺丝刀头与工具驱动装置之间的传动系始终需要布置在其间的工具置入件支架。
[0043]
在本发明的一种特别适宜的实施方案中，工具可以是进料型螺丝刀工具，所述进料型螺丝刀工具具有螺丝刀头作为工具置入件，其中，防碰撞罩以卡爪嘴件（backenmundst
ü
ck）的形式设计为具有至少两个卡爪，其中，卡爪利用卡爪弹簧以弹性支承的方式固定在偏转本体上，并且偏转本体与输送软管连接以用于将单个螺栓进料给卡爪嘴件。
[0044]
在进料型螺丝刀工具中，螺栓能够作为散装材料进料到进料装置、例如输送软管中并且位置正确地予以提供。分开的螺栓例如可以通过输送软管气动地运输到旋拧单元的卡爪嘴件。在那里，螺栓落入到卡爪嘴件中并且由卡爪嘴件的弹性支承的卡爪保持在其位置上。随后，螺丝刀头的螺丝刀刀刃一直向下移动，直到它嵌入到螺栓头中。偏转本体在此执行卡爪嘴件的偏转运动并且使卡爪嘴件下降。有利地，偏转本体（大致与人眼类似地）可球面运动地支承并且在需要时例如在与卡爪嘴件接触时也可进行侧向的偏转运动。在与卡爪嘴件配合作用时，由偏转本体还缓冲或实现防碰撞罩的侧向的偏转运动。
[0045]
现在开始旋拧过程，在旋拧过程中，旋拧工具通过驱动组驱动地旋转并且同时通过偏转本体作为进给而被向下挤压。一旦螺栓与工件的一个预先准备好的钻孔或一个螺纹孔啮合并拧入到该螺纹孔中，那么卡爪嘴件随后就接着打开并释放螺栓头。
[0046]
当达到所设定的旋入深度和关断转矩时，螺丝刀头的螺丝刀刀刃的旋转运动和进给运动停止。旋拧工具和偏转本体向上移回到工具置入件支架的基础位置中并且可开始下一旋拧循环。如果例如在达到旋入深度之前已经超过了预先给定的关断转矩或者在最终位置上未达到该预先给定的关断转矩，则可以由进料型螺丝刀工具的控制装置发出一个呈nio消息形式的错误消息（nio意味着“不正常”或者“不合格”）。借助于合适的控制和监测装置，在旋入期间可以检测工件的水平以及螺栓头的尺寸。对于检测到的螺栓间隙接近零并且由转矩和转角组成的旋拧曲线符合预先设定的控制条件的情况，则错误拧紧的可能性也很小或者可以忽略不计。
[0047]
卡爪嘴件用于将螺栓引导到工件上的旋入位置。卡爪嘴件具有至少两个或多个卡爪，它们被设计为相对彼此有弹性的。螺栓通过夹爪保持就位。如果触发旋拧过程，那么螺丝刀头向下挤压螺栓。通过回弹（
ü
berfederung）使得卡爪嘴件打开并且将螺栓推出。
[0048]
在该实施方案的一种有利的改进方案中，在根据本发明的呈进料型螺丝刀工具形式的工具中，螺丝刀头设置用于在触发旋拧过程时将螺栓沿轴方向在卡爪嘴件内朝着工具的自由端挤压，其中卡爪设置用于将螺栓弹性地保持在其螺栓头以及其螺杆上，直至螺栓被拧入工件中并且卡爪嘴件的卡爪释放螺栓头。螺丝刀头在相应的待拧入的螺栓处挤压并且接着将卡爪嘴件的卡爪挤压开，从而螺栓头在轴方向上从卡爪中向下退出。随后，夹爪再次处于闭合状态，但是螺丝刀头仍与螺栓头啮合。最后，现在还必须将螺丝刀头收回。
[0049]
根据本发明，开头所述的任务也通过一种协作型机器人来解决，该协作型机器人具有可运动的机器人臂，并且在该机器人臂上在工具容纳部上固定有根据本发明的工具，其中，工具的防碰撞装置与机器人的能够存储器编程的控制装置以信号方式连接，并且其中，在与工具的防碰撞罩碰撞接触时，机器人的工具容纳部从工作位置避让到进一步远离碰撞接触的位置的故障位置。有利地，在与工具碰撞接触时不仅立即停止工具，而且附加地由机器人臂使工具从工件附近的工作位置移动到故障位置，该故障位置远离碰撞接触的位
置。因此，在与工具碰撞接触时尽可能避免对操作人员造成危险。
[0050]
特别适宜的可以是，协作型机器人在与工具的防碰撞罩碰撞接触之后保持在其进一步远离碰撞接触的位置的故障位置。这具有的优点是，在碰撞接触之后，机器人将工具摆动地如此长时间地保持在远离工作场所的故障位置，直至已证明消除故障。这可以适宜地例如通过有待由操作人员执行的作为确认的确认故障来实现，即碰撞接触不导致操作人员的伤害或不导致工具和/或协作型机器人的损伤。只有在确认故障之后，机器人或固定在其上的工具才会重新开始运行。
[0051]
在本发明的另一种有利的实施方案中，在协作型机器人中，工具的能够存储器编程的控制装置可以与机器人的能够存储器编程的控制装置配合作用并且优选集成到其中。特别优选地，在该变型方案中，工具的和机器人的控制装置相互集成，由此利用能够存储器编程的控制装置不仅可以控制机器人而且可以控制固定在其上的工具。除了进一步提高运行安全性之外，这还提供了成本优势。
[0052]
当为了重新开始机器人的运行而设置有用于确认故障的机器人释放机构时，协作型机器人的运行可以是特别安全的，其中，机器人释放机构可以由人操纵。
[0053]
适宜地，在根据本发明的协作型机器人中可以规定，所述工具的能够存储器编程的控制装置和/或所述机器人的能够存储器编程的控制装置有规律地检查所述第一和第二位置检测机构的功能性以及所述防碰撞装置的双通道监测装置的功能性。位置检测机构的自动测试提高了运行安全性，并且如果必须更换位置检测机构或传感器，则已经可以提前识别出这一点。
[0054]
可以有利的是，在根据本发明的协作型机器人中，在工具的防碰撞装置出现故障时锁定机器人释放机构以便确认故障，直至防碰撞装置的故障被消除。
[0055]
开篇提到的根据本发明的任务还通过一种防碰撞方法来实现，该防碰撞方法用于在协作型工作场处控制的可运动的协作型机器人与固定在该机器人的可运动的机器人臂的工具容纳部上的工具碰撞接触时安全地进行关断，该防碰撞方法包括以下步骤：
-ꢀ
检测与防碰撞罩的碰撞接触，该防碰撞罩与工具置入件的轴方向同轴地布置在工具的自由端上，并且防碰撞罩关于工具壳体可移动地支承并且与可在轴方向上移动地支承的挺杆以运动方式耦联；
-ꢀ
机械地将由碰撞接触引起的防碰撞罩的偏转运动传递到挺杆的在轴方向上的位置变化；
-ꢀ
通过防碰撞装置的两个位置检测机构中的至少一个来识别挺杆的位置变化；
-ꢀ
激活工具停止运转机构，以便通过防碰撞装置使得工具驱动装置停止运转，其中，工具置入件支架移回到其基础位置中，并且工具置入件在该基础位置中位于防碰撞罩内部；
-ꢀ
使机器人的工具容纳部连同固定在其上的工具从工作位置避让到与碰撞接触的位置进一步远离的故障位置。
[0056]
在防碰撞方法的一种改进方案中，可以有利的是，在与工具的防碰撞罩碰撞接触之后，机器人如此长时间地保持在其进一步远离碰撞接触的位置的故障位置，直至机器人重新开始运行时，操纵机器人释放机构以便确认故障。
附图说明
[0057]
本发明的其它细节、特征和优点从以下对在附图中示意性示出的实施例的说明中得出。附图中示出：图1以从一侧观察的等轴视图示出了根据本发明的呈进料型螺丝刀工具形式的工具；图2以等轴视图示出图1中示出的工具的细节，其中壳体被取下；图3以从前面看的细节图示出了图1中所示的工具的自由端与防碰撞罩；图4以从前面看的部分剖视图示出了图3中所示的工具的自由端；图4a示出图4的细节；图5以图4的细节图示出在轴向碰撞接触期间工具的防碰撞罩；图6以图4的细节图示出在侧向碰撞接触期间工具的防碰撞罩；图7a至7e分别以从前面看的部分剖视图示出在与防碰撞罩碰撞接触时触发的工具构件的位置变化的顺序；图8以简化的测量和调节流程图示出了在根据本发明的工具的运行中的控制和调节的流程，该工具根据图9中所示的布置固定在机器人上；图9以从一侧观察的等轴视图示出了如下一个协作型工作场所，在该协作型工作场所处，具有固定在其上的根据本发明的工具的机器人与人共同作业；图10示出根据图9的布置的截取部分，其中，由于人与工具上的防碰撞罩碰撞接触，工具和机器人均停止。
具体实施方式
[0058]
图1至3示出了呈进料型螺丝刀工具11的形式的根据本发明的工具10。工具10具有工具驱动装置12，工具驱动装置具有抗扭转的驱动轴13，其中，驱动轴13的轴方向14也对应于工具壳体15的轴方向14或工具的外壳的轴方向14。工具壳体15具有如下机器人法兰16，该机器人法兰设置用于与这里未示出的机器人抓取臂连接。在输送软管17中，将气动分离的螺栓18侧向地进料给工具10的自由端19。防碰撞罩20与轴方向14同轴地布置在工具10的自由端19上。防碰撞罩20在这里在进料型螺丝刀工具11中设计为卡爪嘴件21，其中，卡爪嘴件21的两个或多个卡爪22借助于卡爪弹簧23弹性地支承在偏转本体24上。这在图4或图4a的剖视图中详细示出。防碰撞罩20关于工具壳体15可运动地支承并且借助于偏转本体24与在轴方向14上可移动地支承的挺杆25以运动方式耦联。
[0059]
螺栓18从输送软管17落到卡爪嘴件21中并且由卡爪嘴件21的弹性支承的卡爪22保持在其位置中。随后，工具置入件支架30或工具头支架连同能够更换的工具置入件35 （在此实施为具有螺丝刀刀刃的螺丝刀头）在轴方向14上如此程度地向下移动，直到工具置入件35嵌入到螺栓18的螺栓头中。偏转本体24在此执行卡爪嘴件21的偏转运动并且使卡爪嘴件21下降。有利地，偏转本体24 （大致类似于人眼）可球面运动地得到支承，并且如有必要例如在从外部与防碰撞罩20或与卡爪嘴件21碰撞接触时也可进行侧向的偏转运动。在与卡爪嘴件21配合作用的情况下，由偏转本体24也缓冲或实现防碰撞罩的侧向的偏转运动。
[0060]
如在图2中详细示出的那样，抗扭转的驱动轴13用于将驱动转矩从工具驱动装置12传递到工具置入件支架30连同与其连接的、在此构造为螺丝刀头39形式的工具置入件35上。
[0061]
在工具作为钻头工具的在此未明确示出的实施方案的情况下，工具置入件相应地被实施为能够更换的钻头，而在铣削工具的情况下，工具置入件被实施为相应的铣刀。
[0062]
工具置入件支架30连同布置在其上的工具置入件35借助于驱动轴13与工具驱动装置12以运动方式耦联并且还可以在轴方向14上以一个行程长度34为幅度在工具置入件支架30的收回的基础位置31与在图2中以虚线示出的在轴方向14上向下移出的工作位置32之间可运动地移动，如用双箭头33表示的那样。在此，例如气动驱动装置用作行程驱动装置36的驱动装置。工具置入件支架30的行程驱动装置36沿着导轨37进行。
[0063]
图5示出工具10的防碰撞罩20在从外部进行轴向碰撞接触期间的视图，其通过箭头k1表示。通过与防碰撞罩20的碰撞接触k1，由于卡爪嘴件21在箭头方向26上的轴向偏转26，借助于位于其间的偏转本体24以运动方式耦联的挺杆25在轴方向14上的位置变化由防碰撞装置40的两个位置检测机构41、42中的至少一个来检测。防碰撞装置40设置用于在挺杆25位置变化时激活工具停止运转机构以便使得工具驱动装置12停止运转，其中，工具置入件支架30沿轴方向14远离防碰撞罩20移回到其基础位置31中并且工具置入件35在该基础位置31中位于防碰撞罩20内部。挺杆25在轴方向14上的位置变化在此通过箭头29表示。
[0064]
图6示出工具10的防碰撞罩20在从外部的侧向碰撞接触期间的情况，其通过箭头k2表示。通过与防碰撞罩20的侧向的碰撞接触k2，由于卡爪嘴件21沿箭头方向27的侧向偏转27，卡爪嘴件21的位置变化传递到随后的偏转本体24上。可球面运动地支承的偏转本体24能够以相对于轴方向14的偏转角度28补偿卡爪嘴件21的侧向偏转27，并且以挺杆25的在轴方向14上指向的轴向偏转运动的形式将该侧向的偏转运动传递到随后的挺杆25上。挺杆25的轴向的偏转运动由防碰撞装置40的两个位置检测机构41、42中的至少一个来检测。防碰撞装置40在挺杆25位置变化时激活工具停止运转机构以便使工具驱动装置12停止运转，其中，工具置入件支架30沿轴方向14远离防碰撞罩20移回到其基础位置31中并且工具置入件35在该基础位置31中位于防碰撞罩20内部。挺杆25在轴方向14上的位置变化在此通过箭头29表示。在与这里未示出的、在其上可以固定有工具10的机器人臂配合作用的情况下，在出现故障或碰撞k1、k2的情况下，机器人臂连同工具10相应地从危险区域运动离开。这在图5和6中分别通过箭头135表示，该箭头应在故障时表示机器人的这种避让方向。
[0065]
防碰撞装置40的位置检测机构41、42在此构造为双通道监测装置43，其中，第一位置检测机构41是第一监测传感器44并且第二位置检测机构42是第二监测传感器45。防碰撞装置40借助于信号线46与能够存储器编程的控制装置50连接。
[0066]
图7a至7e示出了在从一侧与防碰撞罩20碰撞接触k2时触发的先前已经提到的工具构件的位置变化的顺序。
[0067]
图8以简化的测量和调节流程图示出在根据本发明的工具的运行中的控制和调节的流程，所述工具呈固定在机器人上的进料型螺丝刀的形式。
[0068]
在此，小方框a表示第一步骤，其中，进料型螺丝刀在其工作位置的方向上在工件附近移动。
[0069]
小方框b表示将螺栓从输送软管进料给卡爪嘴件的步骤。
[0070]
如果根据小方框c使得固定在机器人抓取臂上的工具在没有碰撞的情况下到达其最终位置或者说工作位置，那么就从工具的或者说机器人的控制装置发出信号“io
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（“正常”），并且根据小方框d开始旋拧过程。在此使工具头支架气动地运动到工作位置中。然后，
进料型螺丝刀工具的控制以预编程的自动过程开始，以便将预先准备好的螺栓拧入到工件的螺纹孔中。自动过程例如根据螺丝刀转矩的评价标准以及螺丝刀头的相应的偏转角的评价标准来控制。
[0071]
然后，根据小方框e来决定自动过程是否成功。
[0072]
在信号“io”的情况下，根据小方框f，旋拧单元移回到其初始位置，其中，在工具内部，气动机构复位并且工具置入件支架移回到其基础位置。在卡爪嘴件中，在该位置上没有预装的螺栓。
[0073]
因此，根据小方框g，可以移动到下一个位置，以便在同一工件或下一个工件上拧入下一个螺栓。
[0074]
如果根据小方框c中没有到达最终位置，则由控制装置发出故障信号“nio”（“不正常”），并且根据小方框c
´
中来识别碰撞。
[0075]
在碰撞时（小方框c
´
），即在物体、像比如操作人员的手与防碰撞罩或卡爪嘴件之间接触时，工具头进给停止，挺杆弹回并且偏转本体根据接触向左、右或向上避让。挺杆将偏转从偏转本体的空间旋转运动和/或移动出发传递成在工具的轴方向上的纯轴向运动。防碰撞装置的传感机构识别挺杆的位置变化。位置检测机构的或传感器的开关状态的变化在能够存储器编程的控制装置（sps）中相应地得到处理并且由于碰撞而发出相应的故障消息。
[0076]
小方框c
´´
表示防碰撞方法或协作型机器人对识别到的碰撞的反应。然后，机器人臂沿避让方向从其工作位置离开碰撞位置移动到进一步远离的故障位置，其中同时中断旋拧过程并且停止工具驱动装置。工具中的气动驱动装置使工具置入件移回到基础位置，其中，工具置入件在该基础位置中位于防碰撞罩内部。
[0077]
为了重新投入运行，需要由操作人员手动确认故障消息。只有当在由sps确认之后发出信号“io”（“正常”）时，工具才由机器人根据小方框c重新引导到其靠近工件的最终位置或工作位置。
[0078]
对于由sps根据小方框e识别出自动过程不成功并且发出故障信号“nio”的情况，那么根据小方框e
´
将可能有缺陷的螺栓在限定的位置上排出或者抛弃。程序过程随后重新开始，并且根据小方框b送入新的螺栓。
[0079]
图9以从一侧观察的等轴视图示出了一个协作型工作场所100，在该工作场所处，具有固定在其上的根据本发明的工具10的机器人120共同与人200共同作业。
[0080]
工具10例如又是根据以上描述的进料型螺丝刀工具11。工具10具有防碰撞罩20。碰撞由防碰撞装置40检测，该防碰撞装置具有带有第一和第二第一监测传感器44、45的双通道监测装置43。防碰撞装置40借助于一根或多根信号线46与工具10的能够存储器编程的控制装置（sps） 50以信号方式连接。控制显示器55用于可能的误差识别或用于评估工具10的对于操作人员200的状态。
[0081]
该协作型工作场所100包括工作台101、安置面102以及工具停止运转机构110 （例如紧急停机开关）以及工具释放机构115，该工具释放机构例如以用于确认故障的开关的形式来构造。
[0082]
机器人120具有带机器人臂区段121、122的机器人臂，在其自由端123上设置有机器人120的工具容纳部125。工具10以其机器人法兰16固定在工具容纳部125上。
[0083]
工具10可以由机器人120在机器人臂的、靠近工件180的工作位置130和机器人臂的、与工件180相距安全距离的故障位置140之间移动。通过箭头135表示在故障时、即当机器人臂连同固定在其上的工具10从工作位置130移动到故障位置140中时机器人的避让方向。
[0084]
工具10的能够存储器编程的控制装置（sps） 50在这里适宜地集成到机器人120的能够存储器编程的控制装置（sps） 150中。工具停止运转机构110在这里与机器人停止运转机构160组合。即使在操纵例如设置在控制显示器55上的紧急停机开关时，也可以手动地使工具10和机器人120去激活，随后停止工具驱动装置并且使工具置入件支架30移回其基础位置31中。同时，机器人臂连同工具10移动到其在工作区域之外或与碰撞的位置远离的故障位置140中。
[0085]
在这里，工具释放机构115和机器人释放机构165同样彼此组合。一旦由操作人员操纵相应的开关以确认故障，并且由sps 150不再识别到故障消息，机器人120连同工具10就再次投入运行。
[0086]
图10示出根据图9的布置的截取部分，其中，由于人200与工具10上的防碰撞罩20碰撞接触，工具10和机器人120都停止。人200的身体部分210、例如操作人员的手在此以与工具10的卡爪嘴件21的轴向碰撞接触k1和/或侧向碰撞接触k2的形式引起挺杆25的位置变化，紧接着由防碰撞装置40激活工具停止运转机构110以及机器人停止运转机构160，并且使得机器人120连同工具10停止或者说沿箭头方向135移动到故障位置中。
[0087]
附图标记列表10 工具11 进料型螺丝刀工具12 工具驱动装置13 抗扭转的驱动轴14 驱动轴的轴方向15 工具壳体；外壳16 机器人法兰17 输送软管18 螺栓19 工具的自由端20 防碰撞罩21 卡爪嘴件22 卡爪嘴件的卡爪（刀刃）23 卡爪弹簧24 偏转本体25 挺杆26 卡爪嘴件的轴向偏转（箭头）27 卡爪嘴件的侧向偏转（箭头）28 偏转角29 挺杆在轴方向上的位置变化（箭头）
30 工具置入件支架；工具头支架31 工具置入件支架的基础位置；工具头支架的基础位置32 工具置入件支架的工作位置；工具头支架的工作位置33 工具置入件支架的行程方向；工具头支架的行程方向（双箭头）34 行程长度35 能够更换的工具置入件（螺丝刀头、钻头、铣刀）36 行程驱动装置；气动驱动装置37 导轨39 螺丝刀头40 防碰撞装置41 第一位置检测机构42 第二位置检测机构43 双通道监测装置44 第一监测传感器45 第二监测传感器46 信号线50 工具的能够存储器编程的控制装置（sps）55 控制显示器100 协作型工作场所101 工作台102 安置面110 工具停止运转机构；紧急停机开关115 工具释放机构；用于确认故障的开关120 机器人121 机器人臂区段122 机器人臂区段123 机器人臂的自由端125 机器人的工具容纳部130 机器人臂的工作位置135 机器人在故障时的避让方向（箭头）140 机器人臂的故障位置150 机器人的能够存储器编程的控制装置（sps）160 机器人停止运转机构；紧急停机开关165 机器人释放机构；用于确认故障的开关180 工件200 人210 人的身体部分k1 与工具嘴件的（轴向）碰撞接触（箭头）k2 与工具嘴件的（侧向）碰撞接触（箭头）。