(57)【要約】  本発明はエフェクタユニット（１）に関し、エフェクタユニット（１）は、一つのエフェクタユニット（１）で複数個のエフェクタ（３）を使用できるように、ロボットが摺動器（１３、１４）、およびエフェクタ（３）の保持装置（９）に対して相対的に動くことによって、エフェクタ（３）をエフェクタユニット（１）にロックし、かつエフェクタユニット（１）からロック解除することができる。さらに、本発明は、エフェクタを自動的に交換するエフェクタユニット（１）により実行される方法に関する。
2019504776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの端部にある部材（１７）に配置された少なくとも一つの支持要素（２）を有する前記ロボットのエフェクタユニットであって、形状嵌合、および／または力学的嵌合によって相互に係合する複数の連結要素（４、５）によって前記支持要素（２）に固定することができるエフェクタ（３）と、該エフェクタ（３）の前記連結要素（５）を前記支持要素（２）の前記連結要素（４）に取り外し可能かつ脱落しないように結合するロッキング機構（８、１５）と、を有し、
前記支持要素（２）が前記端部にある部材（１７）に対して移動可能に配置され、かつ、前記複数の連結要素（４、５）が前記支持要素（２）の移動方向と平行な共通軸（ＡＫ）上に並んで結合することができること、
を特徴とするエフェクタユニット。
【請求項２】
前記複数の連結要素（４、５）は、前記ロボットの回転運動、および／または並行変位運動によって、結合または分離されるように構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載のエフェクタユニット。
【請求項３】
前記ロッキング機構（８、１５）が、外部の作動要素（１３、１４）によって能動的または受動的に作動されることができ、自由にアクセス可能なように、前記支持要素（２）に配置されること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のエフェクタユニット。
【請求項４】
前記ロッキング機構（８、１５）が、摺動器（１３、１４）と当接した状態で前記ロボットの変位動作によって作動されることができるように設計されること、
を特徴とする請求項３に記載のエフェクタユニット。
【請求項５】
前記ロッキング機構（８、１５）は、摺動器と分離可能に係合した状態で前記ロボットの変位運動によって作動されることができるように設計されること、
を特徴とする請求項４または請求項５に記載のエフェクタユニット。
【請求項６】
前記支持要素（２）の前記連結要素が、前記エフェクタ（３）の前記連結要素（５）を入れるための開口（４）として形成され、かつ、該開口（４）の開口幅は前記ロッキング機構（８、１５）によって変えることができること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載エフェクタユニット。
【請求項７】
前記開口（４）が少なくとも部分的に前記支持要素（２）の２つの脚部（６）によって囲まれ、該２つの脚部（６）は互いに対して相対的に移動可能であること、
を特徴とする請求項６に記載のエフェクタユニット。
【請求項８】
前記脚部（６）が、相互にバネ力を及ぼし、前記ロッキング機構（８、１５）によって前記バネ力に抗して移動可能であること、
を特徴とする請求項７に記載のエフェクタユニット。
【請求項９】
前記バネ力は、前記支持要素（２）の凹部（７）により生成することができること、
を特徴とする請求項８に記載のエフェクタユニット。
【請求項１０】
前記複数の連結要素（４、５）が、少なくとも部分的に相互補完的な筒形、くさび形、または円錐形を有すること、
を特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエフェクタユニット。
【請求項１１】
少なくとも一つの戻り止め機構が、前記複数の連結要素（４、５）を係留すること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエフェクタユニット。
【請求項１２】
前記複数の連結要素（４、５）は、バヨネットロッキング機構として形成されること、
を特徴とする請求項１１に記載のエフェクタユニット。
【請求項１３】
前記複数の連結要素（４、５）は、ネジ結合材として形成されること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエフェクタユニット。
【請求項１４】
前記ロッキング機構は、前記支持要素（２）に回転可能に軸支されたレバー（８、１５）として形成されること、
を特徴とする請求項３〜１３のいずれか一項に記載のエフェクタユニット。
【請求項１５】
前記レバー（８、１５）が摺動器（１４）に接触しながら、連続的に移動することができる外形を有すること、
を特徴とする請求項１４に記載のエフェクタユニット。
【請求項１６】
前記レバー（１５）が、前記作動要素との係合用開口（１６）を有すること、
を特徴とする請求項１４または１５に記載のエフェクタユニット。
【請求項１７】
連結工程の途中で、前記エフェクタ（３）を正確に位置決めするために、少なくとも一つの手段（１２）が、支持要素（２）とエフェクタ（３）との間に設けられていること、
を特徴とする請求項１〜１６のいずれか一項に記載のエフェクタユニット。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載のエフェクタユニットを含むこと、
を特徴とするロボット。
【請求項１９】
ロボットと、少なくとも一つの前記エフェクタ（３）と、一つの前記エフェクタユニット（１）とを有し、前記エフェクタユニット（１）が請求項１〜１７の少なくとも一項に基づいて設計されること
を特徴とするワーキングデバイス。
【請求項２０】
前記エフェクタ（３）を移動可能に載せることができる、前記エフェクタ（３）用の保持装置（９）を有すること
を特徴とする請求項１９に記載のワーキングデバイス。
【請求項２１】
前記保持装置（９）と前記エフェクタ（３）との間に、直線のガイドが形成されていること
を特徴とする請求項２０に記載のワーキングデバイス。
【請求項２２】
前記ロボットの変位動作の間、前記エフェクタユニット（１）と相互作用する摺動器（１３、１４）を有すること
を特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載のワーキングデバイス。
【請求項２３】
前記摺動器（１３、１４）が、前記エフェクタユニット（１）の前記ロッキング機構（８、１５）と少なくとも部分的に相互補間的な形状で形成されていること
を特徴とする請求項２２に記載のワーキングデバイス。
【請求項２４】
前記摺動器は、少なくとも一つの回転要素（１４）として作られていること
を特徴とする請求項２３に記載のワーキングデバイス。
【請求項２５】
ロボットの端部にある部材（１７）に搭載されるエフェクタ（３）を交換する方法であって、支持要素（２）が前記ロボットの前記端部にある部材（１７）に設けられ、前記エフェクタ（３）は、前記支持要素（２）と、複数の連結要素（４、５）によって、形状嵌合、および／または力学的嵌合によって固定され、前記複数の連結要素（４、５）はロッキング機構（８、１５）によって分離可能かつ脱落しないように結合することができ、前記支持要素（２）は前記端部にある部材（１７）に対して相対的に移動可能であり、前記複数の連結要素（４、５）は、前記支持要素（２）の移動方向と平行に置かれた共通軸（ＡＫ）上に揃えられて結合することができ、前記方法は、
エフェクタユニット（１）を構成するために、
前記ロボットの第１シーケンスの動作によって、前記支持要素（２）の前記連結要素（４）を前記エフェクタ（３）の前記連結要素（５）に結合することによって、保持装置（９）から前記エフェクタ（３）をピックアップするステップと、
前記ロボットの第２シーケンスの動作によって、前記エフェクタユニット（１）を摺動器（１３，１４）に送るステップと、
前記ロボットの第３シーケンスの動作によって、前記ロッキング機構（８．１５）を前記摺動器（１３，１４）に対して移動させながら、前記支持要素（２）と前記エフェクタ（３）とをロッキングするステップと、を含むこと
を特徴とする方法。
【請求項２６】
前記エフェクタ（３）の所望の作業の完了後、
前記ロボットの第４シーケンスの動作によって、前記エフェクタユニット（１）を前記の摺動器、または別の摺動器に転送するステップと、
前記ロボットの第５シーケンスの動作によって、前記摺動器に対してロッキング機構（８、１５）を動かし、前記支持要素（２）および前記エフェクタ（３）をロック解除するステップと、
前記ロボットの第６シーケンスの動作によって、前記エフェクタ（３）の連結要素（５）から前記支持要素（２）の連結要素（４）を分離して、前記保持装置（９）に前記エフェクタ（３）を置くステップと、をさらに含むこと
を特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ロボットの動作の個々のシーケンスのステップを、複数の異なるエフェクタ（３）を使用して順番に反復することができること
を特徴とする請求項２５または２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット用エフェクタユニット、ロボット、およびエフェクタを有するワーキングデバイスまたはワーキングステーション、およびロボットのエフェクタを交換する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットのエフェクタユニットは、例えば、プログラム可能な多軸ロボットのマニピュレータまたはロボットアームの端部要素上に配置することができる支持要素とエフェクタを含み、前記支持要素と前記エフェクタは連結装置によって相互に結合することができる。
【０００３】
ロボット分野における連結装置は、多様な構成のものが知られており、さまざまなエフェクタまたはツールの交換を自動化するために使用される。産業用ロボットでは、このようなツール交換装置には、ロボット側の連結要素とツール側の連結要素が具備されており、該連結要素は、ロッキング機構によって、無損失で力を伝達し、かつ着脱可能な方法で、確実にインターロックされ、相互に結合されている。前記ロッキング機構は、ツール交換装置に組み込むことができる専用の駆動部を有している。このような連結の仕組みの例は、ボール形のロッキング要素を有する切換クラッチに関する特許文献１、または、半径方向に配置され、電気機械的に駆動される爪要素を有するロッキングリングの形のロッキング機構を開示した特許文献２に示されている。
【０００４】
また、特許文献３に教示されているように、電磁ロックによってインターロッキング連結要素を結合することも周知である。さらに、特許文献４から、フィンガ交換システムを有するグリッパツールが周知になっている。このグリッパフィンガは、膨張可能なボディによって、すなわち空気圧によりロックすることができる。
【０００５】
ツール交換装置用のバネ式連結要素または戻り止め要素は、例えば、特許文献５や特許文献６または特許文献７で公知になっている。
【０００６】
上述の連結技術は、好ましくは、位置制御された軸を有し、必要に応じた大きな吊り上げ力を持つように汎用的に設計されたプログラム可能な産業用ロボットで使用される。位置制御のためには、所望の力学的動作の根拠となる、産業用ロボットに働く外力を測定する必要があり、前記所望の力学的動作はアドミタンス制御としても知られる逆運動学を利用してロボットに伝達される。
【０００７】
もちろん、いくつかの異なるエフェクタを使用するツール交換システムまたはエフェクタユニットの使用を実現するための、このような産業用ロボットに対するプログラミング労力は非常に大きい。ロボット側、およびツールすなわちエフェクタ側の個々の連結要素は、既存の通常の連結手段に加えて、実現するべき確実な嵌合により、互いに正確に嵌合することができるように、位置制御を非常に正確に行う必要がある。使用する制御のしくみにより、上記のようなロボットは、誤差やずれ、例えば、何らかの理由でロボット側の連結要素がツール側の連結要素と正確に位置合わせされておらず、そのため、応答することができない場合等、を検出することができない。
【０００８】
したがって、エフェクタの正確な交換が可能なのは、該エフェクタがプログラミングによって指定された位置、例えばロボットの作業領域に静置された保持装置、に正確に置かれた場合のみである。いくつかの、交換可能な、おそらく異なるツールまたはエフェクタを備えたツールマガジンを使用しても、プログラミング作業が大幅に増え、かつ、誤差の影響を受けやすくなる。
【０００９】
基本的には、上述の最新の従来技術から公知になった連結機構は、部分的に非常に複雑な機構によって特徴付けられる。通常電気機械的に駆動される駆動装置によって種々のロッキング要素を作動させる必要性は、自己制御、および専用の電源を必要とし、そのため、必然的に誤差の影響を受けやすくなる。さらに、前記連結要素は、構造上、大きな死荷重を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際特許出願公開第９９−１９１２１号公報
【特許文献２】ドイツ実用新案登録第２０−２０８０６０号公報
【特許文献３】ドイツ特許出願公開第１０−２００５０５２６２７号公報
【特許文献４】ドイツ特許出願公開第１０−２００７０３００３５号公報
【特許文献５】日本特許出願公開第２０１１−１８９４１５号公報
【特許文献６】日本特許出願公開第２０１０−１２０１４０号公報
【特許文献７】ドイツ実用新案登録第２０−２０１１−０５２４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記問題に基づいて、本発明の目的の一つは、ロボット用の改良された連結技術を提供することである。特に、本発明の目的は、軽量構造タイプのロボットに好適な、ロボットシステム用のツール交換システム、またはツール交換用のワーキングデバイスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、請求項１に記載の特徴を有するエフェクタユニットと、ロボット、および上述のエフェクタユニットとを有する、請求項１９に記載の特徴を有するワーキングデバイスと、によって解決される。これに関連して、本発明はまた、ロボットの端部にある部材に取り付けられたツール要素すなわちエフェクタを交換するための、請求項２５に記載の特徴を有する方法を提供する。
【００１３】
本発明の一つの態様は、ロボットの端部にある部材に配置された支持要素（把持要素または保持要素）と、能動的または受動的に係合する連結要素によって前記支持要素に固定することができるエフェクタと、該エフェクタの連結要素を前記支持要素の連結要素へ着脱可能、かつ脱落しないように接続するロッキング機構と、を有するロボット用エフェクタユニットに関する。本発明の趣旨における支持要素は、上述のように、エフェクタの実際の設計仕様、および機能的仕様からは関係なく、エフェクタを着脱可能に支持するように働く。
【００１４】
本発明によれば、前記支持要素は、ロボットアームの端部リンクまたは端部にある部材に対して移動可能に設計される。前記支持要素の連結要素と前記エフェクタの連結要素の両方は、前記支持要素の運動する方向と平行になった共通軸（ＡＫ）上に並べ接続することができる。
【００１５】
支持要素とエフェクタとの結合の結果、前記エフェクタの作動方向は、どの方向でも該エフェクタに割り当てられた支持要素の移動方向に合わせることができる。
【００１６】
好ましくは、並列把持機構を端部のリンクまたは端部の部材に設ける方がよい。この並列把持機構は、互いに向かってまたは互いに離れるように直線的に移動することができる二つの支持要素によって形成され、それによって、直線的な送り込みで移動方向を決定する。
【００１７】
原則として、エフェクタキャリアすなわち支持要素は、基本的にマニピュレータの端部にある部材の直線的移動と同じ方向に延在する長手方向の延在部を有することができる。
【００１８】
本発明によれば、前記連結要素の設計、および構築は、ロボットの回転変位動作、および／またはロボットの直線的変位動作によって接続、または再分離することができるように行われる。前記ロボットの回転変位動作は、例えば、前記支持要素の回転動作に変わり、前記直線的変位動作は、例えば、前記支持要素をその長手方向に延在する方向に移動させる直進動作、または、長手方向に延在する方向を横切る前記支持要素の直線動作、または、それらを組み合わせた動作に変わる。
【００１９】
本発明の趣旨では、エフェクタは、原理的には、ロボットが周囲環境と相互作用するための手段として用いる、あらゆる構成要素を意味する。このようなエフェクタには、物体を取り付けるためのネジ用ヘッド、塗装用スプレーガン、電気接点作成用はんだごて、レーザー光学製品、カメラ等のあらゆる種類のツール要素が含まれ、これらのエフェクタは前記支持要素に直接結合される。
【００２０】
本発明の好ましい設計では、エフェクタは、任意の物体を把持するための単純なグリッパフィンガまたはグリッパジョーとして設計することができる。
【００２１】
このようにして、ロボットは、特に内蔵コンプライアンス制御装置を備えていれば、それぞれの用途に対して多様な構成、および多様な輪郭のグリッパ面を有するグリッパフィンガを、自身で組み立てることが可能になる。したがって、本発明によれば、エフェクタユニットの機能は、単純なグリッパフィンガで用の足りる、単なる「ピックアンドプレース」動作を超えて進歩したものである。本発明のエフェクタは、どのような種類のツールでも把持することができるグリップ機構として、汎用的に機能することができる。本発明のエフェクタは、特に、ドリルのような、人手駆動または、通常は携帯式の市販の電動ツールを、適切に設計されたグリッパフィンガまたはグリッパジョーによって直接的に、または、ツールを収容し、グリッパエフェクタによって把持されるツールホルダによって間接的に、把持することができる。したがって、多様なエフェクタが、多様な物体を把持するためのアダプタとして機能する。
【００２２】
本発明によれば、前記ロッキング機構は、外部駆動部に自由にアクセスできるように支持要素上に配置され、また、前記外部駆動部によって能動的または受動的に駆動できるように設計され、組み立てられる。
【００２３】
本発明によれば、外部駆動部は、前記ロボットまたは前記エフェクタユニットの一部ではない、能動的または受動的な駆動部である。能動的な駆動要素としては、空気圧で、または電気的に駆動される圧力式プランジャのような連結要素をロックするためのロッキング機構と相互作用するアクチュエータを使用することができる。受動的駆動要素には、例えば、任意の構成の固定された摺動器がある。
【００２４】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、前記ロッキング機構は、上述の摺動器と接触しながら、ロボットの変位運動によって作動させることができるように設計、および構成することができる。該摺動器は、ロボットが作業をする、ロボットに割り当てられた作業領域に近い領域に配置することができる。例えば、前記作業領域に近い領域は、単に、ロボットワークステーションの領域内にある、テーブル周辺部または機器用ハウジングの一部とすることができ、前記ロボットの誘導動作によって前記テーブル周辺部または機器用ハウジングの一部に沿って、前記ロッキング機構をガイドすることができる。
【００２５】
さらに、前記摺動器は、また、前記ロッキング機構が、該ロッキング機構を解除するために、分離可能な係合状態に入ることができる要素とすることもできる。
【００２６】
エフェクタユニットは、エフェクタまたはツール要素すなわちグリッパ要素と、これらの要素の取り付け台として働く支持要素と、の間の取り外し可能な接続部として機能するが、前記エフェクタユニットは、ロボットの端部の部材に取り外し可能に取り付けるか、または分離不能に結合することができる。しかしながら、前記支持要素は、該支持要素用の駆動機構、または作動機構を介して前記ロボットの端部にある部材に対して移動可能に取り付けることができる。収容対象のエフェクタをまだ収容していない支持要素を少なくとも一つ有する端部の部材は、ロボットアームの遠端を形成する。該ロボットアームは、好ましくは軽量構造タイプの多軸ロボットアームである。
【００２７】
したがって、本発明によるエフェクタユニットは、機能可変という意味で、多様なエフェクタを選択して収容することによって、ロボットを多様な応用に適合させることができる、独立した汎用的連結装置を形成する。
【００２８】
一つの構成では、前記支持要素が有する連結要素は、エフェクタが有する連結要素が入る開口部として設計することができ、該開口部の開口幅は、前記ロッキング機構によって変化させることができる。前記ロッキング機構は、外部にある駆動部によって能動的にまたは受動的に作動されると、エフェクタの連結要素を脱落しないようにクランプするために、開口部の幅を狭めるように設計する必要がある。基本的には、前記開口部の形状は、エフェクタが有する、前記開口部と合致する相互補間的形状をした連結要素を収容するように働く。
【００２９】
好ましくは、前記開口部は、略円形の窪みであり、前記エフェクタの連結要素は前記窪みに適合する円筒形のピンであり、前記開口部の中に、はずれないように、かつ、回転自在に確実にクランプされる。しかしながら、他の幾何形状、例えば、少なくとも部分的に円錐形の連結要素、または応力がかかっていない状態で連結要素によって接合することができるアンダーカットを有する形状等が考えられる。
【００３０】
本発明によれば、支持要素の開口部とエフェクタのピンとの間に、ロボットが前記エフェクタをピックアップするときに前記支持要素と前記エフェクタとの結合を可能にする隙間嵌めが必要である。この結果、前記支持要素に結合した前記エフェクタは、自由空間におけるロボットのあらゆる移動の間、十分に安全性が確保されたまま輸送される。この隙間嵌めは、ロッキング機構を作動させ、次に前記開口部の幅を狭めてエフェクタを固定し、エフェクタから力を伝達したり、または、エフェクタが緩むことなくエフェクタに意図した動作を実行させたりすることができるようになる前まで必要である。
【００３１】
このような隙間嵌めを提供することの利点は、例えば、内蔵コンプライアンス制御機能を有するロボットが、開口部とピンとの間の最初はゆるやかな結合自体を確実に結合することができることである。これは、エフェクタまたはツール要素を最初から独立して保持できる嵌合では、上記ロボットシステムの場合のようにはできない。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、ロッキング機構によって変更できる開口幅は、開口部の少なくとも一部が、支持要素の、相互に相対移動できる二つの脚部によって囲まれているということの結果得られる。前記脚部は、好ましくは弾性設計され、前記ロッキング機構によって、バネ力に抗して偏移可能である。このバネ力は、例えば、適切な形状、および寸法を有する窪みを支持要素本体内に形成することによって、前記支持要素本体の適切な箇所に生成することができる。
【００３３】
本発明によれば支持要素とエフェクタの両方の連結要素は、少なくとも部分的にシリンダ、くさび形または円錐形の相互補間的な形にすることができる。さらに、少なくとも一つのロッキング機構を連結要素の間に設けることができる。例えば、エフェクタの円筒部分に放射状に取り付けられたバネピンまたはボルトが考えられ、該バネピンまたはボルトは、前記支持要素にある、前記円筒部分の受け入れ用開口部の中の、該バネピンまたはボルトと合致する放射状の開口部に係合し、かつ、前記連結要素の単純な直進運動によって分離することができる。
【００３４】
好ましい実施形態では、両方の連結要素は、それらの間にバヨネットロッキング機構を形成することができるように設計される。この連結は、例えば、ロボットが横方向の直線運動によって支持要素とエフェクタを結合し、次に、軸支された前記支持要素の回転運動によってバヨネットロッキング機構を閉じることによって達成することができる。
【００３５】
前述の楔形、円筒形または円錐形のクランプ要素またはネジによる結合に加えて、本発明の別の好ましい実施形態では、レバーが前記支持要素の外側に回動自在に軸支され、クイックリリースで前記支持要素にある開口部の幅を狭めることができる。
【００３６】
ロッキング機構の前述の実施形態では、ロボットが摺動器に当接したまま、該摺動器に対する前記ロボットの単純な相対的運動により、非常に単純な方法で、前記レバーを操作することが可能になる。
【００３７】
特に、本発明のエフェクタユニットは、プログラム可能な多軸ロボット、好ましくは、適切なコンプライアンス制御機能を有する軽量ロボット、に具備して、使用することが望ましいが、これに限定されない。
【００３８】
前記コンプライアンス制御は、例えば、公知のインピーダンス制御に基づいており、既述のアドミッタンス制御とは対照的に、接合層におけるトルク制御に基づいて行われる。所望の動力学的特性に基づき、かつ、目標位置からの実際位置の偏差、目標速度からの実際速度の偏差、および／または、目標加速度からの実際加速度の偏差を考慮して、力またはトルクが決定され、次に、この力またはトルクが、ジョイント、および軸の個数、および配置、したがって自由度から得られる前記ロボットの既知の運動学的特性を通してジョイントのトルクに変換され、該ジョイントのトルクはトルク制御部によって設定される。前記ジョイントに組み込まれたトルクセンサが、該ジョイント内に配置された駆動ユニットのギアボックスの出力において支配的な因子である一次元トルクを記録する。前記トルクセンサは、前記ジョイントの弾性を制御可能範囲にある測定変数として考慮することができる。特に、アドミッタンス制御のように、端部のエフェクタに一つだけ力モーメントセンサを使用する場合に比べ、適切な複数のトルクセンサを使用することにより、前記端部エフェクタには作用しないが、ロボットの連結部または連結部材、およびロボットによって保持されるか、またはロボットによって処理される物体に作用する力の測定が可能になる。前記トルクは、また、ロボットシステムの構造内、および／または基部にある力センサによって測定することもできる。特に、マニピュレータの個々の軸の間のジョイント機構も使用することができ、これによって、多軸トルクの検出が可能になる。また、力センサを備えた並行ジョイントも考えられる。
【００３９】
上述のように実装されたコンプライアンス制御は、前述のようなロボットが、自立的に制御された動作を介して前記ロッキング機構を起動または作動させることができるので、本発明にとって有利であることがわかる。さらに、このようなロボットは、多様なツール要素またはエフェクタを「見つけて」、損傷を与えずに「触れて確かめる」ことができ、このことは、自動的なツール交換に有利であることがわかる。このようにして、多様な目的、および、多様な把持対象の物体、およびツール用に設計された、把持に適した前述の輪郭のように、機能的に多様な任意の数のツール要素を、少なくとも一つのロボットに割り当て、ロボットの近傍に配置されたマガジンに格納することができる。
【００４０】
コンプライアンス制御の別の利点は、支持要素の連結要素とエフェクタの連結要素との間の、不正確な、すなわち精密に位置決めできない結合を許容することができることであり、このことは、上述のような別の種類の連結要素をより大きな公差で製造することができることを意味する。大きな公差を原因とする不正確性は、この不正確性に相応した、この結合における接触力を減少させることにより、コンプライアンス制御によって補償することができる。例えば、任意の輪郭、およびアンダーカットを有する把持用エフェクタは、追加された３Ｄプリンティングプロセスによって製造することもできる。
【００４１】
レバーを含む実施形態では、前記外部に位置する摺動器は、受動的作動要素として機能する。つまり、前記外部に位置する摺動器に向かって、しばらくの間エフェクタに緩く結合されていた支持要素は、ロボットによって移動または位置調整され、前記ロッキング機構が前記摺動器に係合または接触する。次に、前記ロボットは、前記ロッキング機構を閉位置に変え、そして前記エフェクタを前記支持要素にクランプするか、または連結要素の緩い結合を固定するような力で、前記ロッキング機構を前記摺動器に押し当てるか、または、前記エフェクタを前記支持要素にクランプするか、または連結要素の緩い結合を固定するように制御された動作によって前記ロッキング機構を前記摺動器に当接させて動かす。
【００４２】
レバー、好ましくはクイッククランプとして設計されたレバーを使用すれば、ロボットがエフェクタユニットを移動させ、ロボットの作業領域の近傍にある摺動器に対して、例えばコンベア作業装置のテーブルの先端に対して、またはロボットが協働する機械のハウジング部分に対して、前記エフェクタユニットを動かして押し当てるだけで十分である。
【００４３】
好ましい実施形態によれば、前記レバーは、前記摺動器に接触しながら連続的に動かすことができる外部輪郭を有している。
【００４４】
摺動器は、いくつかのツール要素を収容した交換用マガジンの近傍にある方が好ましいが、回転要素も可能である。前記ロックレバーが前記回転要素と当接したまま、前記エフェクタユニットが、制御可能な回転台によって、または前記ロボットの直線運動により、前記回転要素に接触したまま誘導され、これによって、該レバーを前記支持要素のほうへ押しやることができる。
【００４５】
さらに、アクチュエータの形をした外部作動部が、前記ロッキング機構に能動的に作用することも考えられる。このようなアクチュエータとしては、圧力プランジャのような任意のタイプのアクチュエータが可能であり、ロボットが、前もって、前記のような能動的アクチュエータに対する適切な位置にエフェクタユニットを移した後に、前記レバーを前記支持要素に押し付ける。
【００４６】
エフェクタに関連する意図した作業工程が完了して、エフェクタ交換を待つ状態になった後に、前記エフェクタのロッキング機構を解除するために、該ロッキング機構は、受動的な摺動器と当接する位置に戻され、ロボットの摺動器に対する相対的移動によって、前記ロッキング機構を解除する。
【００４７】
レバーを使用する場合、該レバーの自由端を縁部に引っ掛けることができ、それにより、該レバーを引き上げ、前記支持要素の連結要素と前記エフェクタの連結要素との間の固定された結合が解除されるように、ロボット自身の動作をプログラムし実行することができる。次に、前記エフェクタを交換するために、前記エフェクタユニットを適切な保持装置に送ることができる。
【００４８】
本発明による好ましい実施形態では、レバーは、この場合、好ましくは水平に整列された固定ピンとして設計された、アクチュエータに合う係合用開口部を有する。ロボットは、前記レバーの前記係合用開口部を押して前記ピンに被せ、前記レバーを前記ピンに対する前記エフェクタユニットの相対的な移動によって引き上げるように、前記エフェクタユニットを動かす。
【００４９】
本発明による前記エフェクタユニットの主要な利点は、エフェクタまたはツールの交換を、簡単な方法で、自動的に、好ましくはロボット自身の動作によって行うことができることである。
【００５０】
したがって、本発明は、ロボットと、少なくとも一つのエフェクタと、一つのエフェクタユニットとを具備したワーキングデバイスまたはワーキングステーションにも関し、一つの連結装置を形成するエフェクタユニットは前述の実施形態に従って設計される。
【００５１】
本発明によるロボットのプログラムされた動作によって、エフェクタの交換を自立的にかつ完全に自動的に実行することができるので、前記ワーキングデバイスは、エフェクタ用の保持装置またはいくつかのエフェクタ用のマガジンを有することもでき、前記エフェクタは、前記ロボットによって前記保持装置に移動可能に貯蔵されたりピックアップされたりすることができる。
【００５２】
好ましい実施形態では、前記保持デバイスと前記ツール要素すなわちエフェクタとの間に、直線的ガイドが形成され、該ツール要素がロボットの直線的かつ垂直方向の上下運動によって容易に上昇、および下降することを可能にする。一つの構成では、ガイドピンが前記保持装置に設けられ、該ガイドピンは、好ましくは必要に応じ自由に配置可能であり、前記ツール要素すなわちエフェクタの対応する孔に係合する。
【００５３】
ツール要素を保持装置まで取りに行くとき、前記ツール要素と支持要素とをロックするために摺動器に転送するまでの間、前記ツール要素と支持要素との間の相対的な位置関係を維持するため、前記支持要素上での前記ツール要素の正確な位置決めのための手段が、少なくとも一つ、前記支持要素とツール要素との間に設けられる。このために、実矧ぎ接続、ジャーナル、ヒール、突起、等の位置合わせのための任意の構成方法が適用可能である。
【００５４】
ロボットに対して相対的位置関係にある、前記保持装置の位置、および該保持装置に置かれた１個または複数のエフェクタのそれぞれの位置、前記摺動器の位置、およびエフェクタと支持要素の両方の連結要素の位置は、いずれの位置も、ロボットによって実行される動作シーケンス、およびその精度を決定する。これらのパラメータはすべて、ロボットに設定された座標系で考慮されなければならず、座標系の種類（例えば、デカルト座標、円筒座標、球座標）の選択は、目的とする動作のために設けられた作業空間内にあるロボットの、この目的とする動作によって決定され、該目的とする動作に適したコンプライアンス制御に基づいて行われる。このため、前記コンプライアンス制御を内蔵したロボット、なかんずく軽量ロボットが、本発明によるエフェクタユニット、およびワーキングデバイスの適用に特に適している。
【００５５】
従って、上記発明の趣旨では、本発明は、また、ロボットの端部にある部材に取り付けられたエフェクタを交換するため方法に関し、好ましくは、内蔵コンプライアンス制御、固有のコンプライアンス、またはアクティブ、およびパッシブコンプライアンスの組み合わせを用いてロボットによって実行される。前記ロボットの前記端部にある部材には支持要素が具備され、該支持要素に、前記エフェクタを、相互に係合する能動的、および／または非能動的な連結要素を用いて拘持することができ、ロッキング機構によって分離可能にかつ確実に結合することができる。前記支持要素は前記端末部材に対して相対移動可能であり、前記連結要素同士が、前記支持要素の移動方向に平行に配置された共通軸（ＡＫ）上に合わせて並べ結合することができる。そして、前記方法は、以下のステップを含むことを特徴とする。
・エフェクタユニットを構成するための、ロボットの第１シーケンスの動作によって、前記支持要素の連結要素を前記エフェクタの連結要素に結合することによって、前記保持装置から前記エフェクタをピックアップするステップ、
・前記ロボットの第２シーケンスの動作によって、前記エフェクタユニットを摺動器に送るステップ、
・前記ロボットの第３シーケンスの動作によって、前記ロッキング機構を前記摺動器に対して移動させながら、前記支持要素と前記エフェクタとをロッキングするステップ。
【００５６】
前記エフェクタの作業、例えば、前記ロボットが、加工のために、物体を個別に移動することができる、コンベヤベルトまたはコンベヤー加工装置上での作業の完了後、引き続き、以下の処理をさらに行うことができる。
・ロボットの第４シーケンスの動作によって、前記エフェクタユニットを任意の摺動器に転送するステップ、
・ロボットの第５シーケンスの動作によって、前記摺動器に対してロッキング機構を動かし、それによって、前記支持要素、および前記エフェクタをロック解除するステップと、
・ロボットの第６シーケンスの動作によって、前記エフェクタの連結要素から前記支持要素の連結要素を分離して、前記保持装置に前記エフェクタを載せるステップ。
【００５７】
すべてのツール要素すなわちエフェクタが前記支持要素に対する汎用的なインタフェースを有する、複数のツール要素すなわちエフェクタを搭載したマガジンを使用する場合、これらのツール要素すなわちエフェクタは、同一タイプの連結要素を有するので、本発明の方法は、さらに、複数の異なるツール要素またはエフェクタを使用して、前記ロボットの動作の個々のシーケンスを実行するための前述のステップを、順次繰り返すことができるという特徴を有する。
【００５８】
本発明のさらなる利点、および特徴は、添付の図面を参照して以下に説明される実施形態から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明によるエフェクタユニットの第１の実施形態の斜視図であって、支持要素がエフェクタから分離された図を示す。
【図２】前記エフェクタユニットの支持要素の背面図である。
【図３】本発明によるワーキングデバイスの斜視図であり、第１の実施形態の二つのエフェクタユニットを有するワーキングデバイスを示す。
【図４】本発明による、回転要素を有する摺動器を示す図である。
【図５】本発明による、第２のエフェクタユニットの斜視図であり、支持要素がエフェクタから分離された図を示す。
【図６】前記エフェクタユニットの支持要素の背面図である。
【図７】本発明によるワーキングデバイスの斜視図であり、第２の実施形態の二つのエフェクタユニットを有するワーキングデバイスを示す。
【図８】２つのエフェクタユニットがロボットの一つの端部に配置された概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図１〜図４は、本発明によるエフェクタユニットの第１の実施形態を示す。
【００６１】
図１は、エフェクタユニット１を分解した状態で示す。エフェクタユニット１は、支持要素すなわち保持要素２と、エフェクタ３（この場合、グリッパージョー）によって形成されている。
【００６２】
図８でわかるように、支持要素２は、ロボットの端部リンクまたは端部にある部材１７に固定される取り付け部材である。
【００６３】
図８が示すように、二つの対向するエフェクタユニット１が把持機構を形成する。そのため、支持要素２は、支持要素２が取り付けられた作動機構１８を介して、互いに対して、従って矢印で示すロボットの端部リンク１７に対して、相対的に移動することができる。
【００６４】
支持要素２とグリッパジョー３は、連結要素を介して結合することができる。このために、支持要素２は、図２でわかるように、略円形の開口部４の形の連結要素を有し、グリッパジョー３の連結要素は、開口部４の形に合う相互補間的形状の円筒形のピン５を有し、開口部４に係合することができる。
【００６５】
連結要素４、および５は、図１、および図８に概略的に示すように、支持要素２の長手方向に延在する方向ＡＴに対して横に延びる共通軸ＡＫで揃えられる。連結要素４および５の共通軸ＡＫは、支持要素２の運動の直線方向に平行である（図８の矢印参照）。
【００６６】
複数の、機能的に異なることが多いエフェクタが同一の連結要素５を有しているので、汎用的な連結機構を支持要素２との結合に利用でき、エフェクタ交換が容易にできるようになる。ピン５、およびエフェクタ３は、好ましくは一体的に形成する方がよい。
【００６７】
図２から分かるように、開口部４は、支持要素２の本体に切り欠きまたは凹部７によって形成された二つの脚部６によって囲まれている。凹部７は、開口部４の開口幅が可変で、かつ、脚部６が相互にバネ力を及ぼすことができるように設計され、寸法決めされている。
【００６８】
回転可能に軸支されたレバー８の形状のロッキング機構は、支持要素２の側面に配置され、支持要素２の自由端の範囲内でのクイックリリースロックを実現している。
【００６９】
レバー８を作動させることによって、脚部６は、バネ力に抗して互いに近づくように移動し、その結果、エフェクタ３のピン５を開口部４の中にクランプする。
【００７０】
複数のエフェクタ３が、図３に示すように、本発明によるワーキングステーションの保持装置９上に載置され、保管される。
【００７１】
また、保持装置９は垂直ピン１０を有し、垂直ピン１０の位置は種々の孔１１によって個別に調整することができる。ピン１０は、エフェクタ３の下面の対応する（図示しない）孔に滑り嵌めで係合し、エフェクタ３の直線的、かつ、垂直方向のガイドを可能にする。
【００７２】
本発明の特別な実施形態において、エフェクタユニット１は、内臓コンプライアンス制御機能を有するロボットで使用され、かつ、該ロボットの動作シーケンスは、例えば、前述のインピーダンス制御を考慮して個別にプログラムすることができる。
【００７３】
したがって、エフェクタ３の交換は、次のように行うことができる。前記ロボットは、一つの支持要素２または二つの対向する支持要素２を保持装置９に移し、ここで、次に、支持要素２の開口部４にピン５が入るように、エフェクタ３の方に横方向に移動し、開口部４とピン５によって汎用的連結が形成される。これによって、エフェクタユニット１が完成する。その理由は、開口部４とピン５との間に公差があるので、一方では容易な取り出しが可能であり、同時に他方では、エフェクタ３を、運搬のために十分な程度に支持要素２に保持することができるからである。
【００７４】
次に、エフェクタユニット１は、垂直に持ち上げられて、保持装置９のピン１０から容易に引き離される。
【００７５】
支持要素２とエフェクタ３との結合中に、この二つの要素の間の正確な位置決めを確実に行うために、両方の要素に位置決め手段が設けられる。本実施形態では、前記位置決め手段は、隣接する段差１２の形で設けられており、グリッパジョー３の不正確な調整を防止する。
【００７６】
エフェクタユニット１を持ち上げてから、前記ロボットは、図４に示すように、エフェクタユニット１を固定された摺動器１３に移す。
【００７７】
摺動器１３は、ローラまたは回転要素１４を有する。回転要素１４は受動作動部を形成し、該受動作動部は、回転要素１４の間にレバー８を順番に挿入することにより、対象とするクイックリリース機構を閉じる。レバー８の外形は、エフェクタユニット１の挿入動作中に、回転要素１４がレバー８に接触して容易に回転し、これによって、直線的な挿入動作の方向に加えられる力と比較して、レバー８にかかる閉鎖力、ひいては、クイックリリース機構を通って開口部４に働く閉鎖力が著しく増加する。したがって、前記ロボットは、横方向に移動して同等の力を生成する必要はない。プログラミング作業は、前記ロボットが直線運動だけを行えばよいので、簡単なままである。
【００７８】
しかし、前記ロボットが、適切な運動、および適切な力の制御、および／または事前制御を行って、任意の面と係合させることによって、レバー８を簡単な方法で閉じることもできる。
【００７９】
上記のようにしてエフェクタ３のピンが支持要素２の開口部４内で、緩むことなく締結されていれば、エフェクタユニット１を、その機能的目的の場所に送ることができる。
【００８０】
レバー８は、また、必要に応じて、ユーザが手動で閉じることができるように構成される。レバー８と係合し、レバー８を閉位置に偏移させる、空気圧または油圧で作動するプランジャのような能動駆動部も使用できる。
【００８１】
ロッキング機構が解除されると、上記の手順は、基本的に逆の順序で実行される。しかしながら、ロボットは、別の（図示しない）摺動器に移動して、該別の摺動器にレバー８の自由端、例えば、一方の縁部を取り付け、そして、前記摺動器から離れる方向へ向かう動きによって、レバー８を簡単に引き上げることができる。
【００８２】
図５〜図７は、本発明によるエフェクタユニット１の第２の実施形態を示す。この第２の実施形態は、基本的には同一機能を有するが、相違点は、異なる輪郭をした形状のレバー１５を有するという点である。
【００８３】
レバー１５は、また、摺動器１３に接触させて、前記ロッキング機構をロックするために使用することができる。
【００８４】
開栓のために、レバー１５は、その自由端に連続的に繋がる係合開口部１６を有する。開栓のために、ロボットは、プログラムされた一連の動作シーケンスを実行することができ、エフェクタユニット１を、好ましくは水平方向を向いた固定ピンまたは固定ロッドに水平に押し込んで、係合開口部１６に係合させ、そして、エフェクタユニット１をこのピンから離れる方向へ動かし、これにより、レバー１５を開栓する。
【００８５】
図８は、ロボットの一つの端部リンク１７に、二つのエフェクタユニット１を配置した構成を示す。これにより把持機構が形成される。
【００８６】
上述の実施形態において、ツール交換を行うために意図されていることは、支持要素２の前記連結要素とエフェクタ３の前記連結要素とは、それらの構成に関係なく、共通軸ＡＫ上に並んで置かれていることである。これは、図８に概略的に示されている、本発明によれば、前記連結要素の整列軸ＡＫは、図８に概略的に示されているように、支持要素２のＡＴ方向を横切る方向に割り当てられ、かつ、支持要素２の移動方向（矢印を参照）を向いており、従って、又、物体を把持するためのグリッパジョー３によって掛けられる把持力、および保持力の働く方向を向いている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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