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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der Mensch-Roboter-Kooperation auf ein Überwachungssystem, ein Mensch-Roboter-Kooperationssystem mit Überwachungssystem sowie ein Verfahren zur Gewährleistung einer sicheren sowie gleichzeitig effizienten Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter.
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Die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) bietet eine Vielzahl Von Vorteilen im Vergleich zu rein manuellen oder rein roboterbasierten Systemen. Solche MRK-Systeme sind je nach Gestaltung deutlich flexibler einsetzbar, deutlich schneller umrüstbar, wirtschaftlicher und können eine gesteigerte Flexibilität erreichen.
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Da der Roboter einschließlich seiner Werkzeuge und der gegriffenen Objekte jedoch eine große Gefahr für den Arbeiter darstellt, ist die Wahrung eines geschwindigkeitsabhängigen Mindestabstands sicherzustellen, um Kollisionen des Arbeiters mit dem Robotersystem auszuschließen, und/oder die Leistung und somit das Gefährdungspotenzial des Roboters zu begrenzen.
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Derzeit sind aus dem Stand der Technik einerseits Systeme bekannt, welche zwar die gesetzlichen und berufsgenossenschaftlichen Anforderungen an die Sicherheit des Arbeiters erfüllen, deren Leistungsfähigkeit jedoch durch die zur Sicherheit des Arbeiters erforderlichen Einschränkungen wesentlich verringert sind. Andererseits stehen Systeme zur Verfügung, welche insbesondere im Bereich der Forschung und Entwicklung sehr gute Formen der Kooperation ermöglichen, jedoch die gesetzlichen und berufsgenossenschaftlichen Anforderungen an die Sicherheit nicht erfüllen.
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Nachfolgend werden einige Beispiele für Mensch-Roboter-Kooperationssysteme beider Kategorien gegeben.
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Das gemeinsam von der Firmen Kuka Roboter GmbH und MRK-Systeme entwickelte MRK-System KR 3 SI basiert auf einer Reduktion der Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters auf Basis kapazitiver Näherungssensoren und einem Notstopp des Roboters auf Basis taktiler Sensoren. Der KR 3 SI ist jedoch aufgrund seiner geringen Größe und dadurch bedingten Geschwindigkeits-, Arbeitsraum- und Handhabungsgewichtsbeschränkungen auf eine geringe Anzahl möglicher Anwendungen limitiert. Desweiteren ist die Sicherheit eines Robotersystems aus mehreren Roboterzellen von allen Komponenten einer Zelle abhängig, so dass beispielsweise eine Roboterzelle je nach verwendetem Greifer auch mit einer Überwachung durch das KR 3 SI nicht sicher ist.
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Als weiteres Beispiel für ein überwachtes Robotersystem ist das SafetyEYE System der Fa. Pilz zu nennen, welches auf optischen Sensoren bzw. auf drei Kamerasystemen beruht. Das SafetyEYE System erlaubt den sicheren Einsatz von Robotersystemen, wobei auf einen klassischen Sicherheitszaun verzichtet wird. Sobald ein Mensch den überwachten Arbeitsraum betritt, ertönt ein Warnsignal und der Roboter reduziert seine Arbeitsgeschwindigkeit. Dringt der Arbeiter tiefer in den Arbeitsraum ein, so stoppt der Roboter. Der Nachteil des SafetyEYE Systems liegt darin, dass der Mindestabstand zwischen Arbeiter und Roboter einige Meter beträgt, so dass der Kooperationsgrad zwischen Mensch und Roboter stark reduziert ist.
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Im Gegensatz dazu ist das team@work System, welches auf einem 2D-Kamerasystem beruht, zwar effizienter, die Sicherheit des Arbeiters wird jedoch nur unwesentlich berücksichtigt. Das team@work System beruht darauf, dass Arbeiter und Roboter gemeinsam ein Bauteil montieren, wobei der Arbeiter beispielsweise ein Werkstück aus einer Bereitstellung entnimmt und der Roboter das Werkstück montiert. Dadurch werden Nebenzeiten eliminiert und die gesamte Montagezeit besteht nur noch aus Hauptzeiten.
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Ein weiteres Beispiel eines Mensch-Roboter-Kooperationssystems ist das Lynkeus-System, welches auf Basis einer einzigen 3D-Kamera die aktuelle Position sowie die aktuelle Arm- und Kopfstellung eines Menschen erfasst. Eine Risikobewertung oder eine Intentionserkennung, die für die direkte Interaktion mit dem Roboter benötigt wird, ist im Lynkeus nicht jedoch berücksichtigt.
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Wie aus den gegebenen Beispielen hervorgeht, herrscht ein Zielkonflikt zwischen Systemen mit hoher Sicherheit und geringer Leistungsfähigkeit einerseits und Systemen mit hoher Leistungsfähigkeit und geringer Sicherheit auf der anderen Seite, der in 1 vereinfacht dargestellt ist. Der Graph A, welcher parabelförmig von links nach rechts ansteigt, zeigt den Verlauf der Leistung eines MRK-Systems an, während der Graph B, welcher parabelförmig von links nach rechts fällt, den Grad der Sicherheit angibt. Die, Systeme KR 3 SI und SafetyEYE, deren Leistungsgrad zugunsten hoher Sicherheit eingeschränkt ist, sind daher auf der linken Seite der 1 einzuordnen, während die Systeme team@work und Lynkeus, deren Sicherheitsanforderungen zugunsten der Leistungseffizienz heruntergesetzt sind, auf der rechten Seite der 1 einzuordnen sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Überwachungssystem für MRK-Systeme zur Verfügung zu stellen, welches zwar hohe Standards bezüglich der Sicherheit des Arbeiters erfüllt, gleichzeitig jedoch eine effektive Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter zulässt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch das Überwachungssystem nach Anspruch 1, das Mensch-Roboter-Kooperationssystem nach Anspruch 11 sowie das Verfahren zur Überwachung eines Mensch-Roboter-Kooperationssystems nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Überwachungssystems sowie des Verfahrens zur Überwachung eines Mensch-Roboter-Kooperationssystems werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Erfindungsgemäß weist ein Überwachungssystem zur Gewährleistung einer sicheren Zusammenarbeit zwischen mindestens einem Arbeiter und mindestens einem Roboter in einem Mensch-Roboter-Kooperationssystem mit mindestens einem Roboter und mindestens einem Arbeitsplatz für mindestens einen Arbeiter eine Erkennungseinheit, mindestens einen Überwachungssensor sowie eine Kontrolleinheit auf. Die Erkennungseinheit ist dabei zum Erfassen einer Position des Arbeiters und/oder eines Bewegungsverhaltens mindestens eines Körperteils des Arbeiters vorgesehen und dient vorzugsweise der Steuerung des Roboters in einer Art und Weise, dass eine hohe Effizienz bei der Kooperation zwischen Arbeiter und Roboter entsteht. Der mindestens eine Überwachungssensor ist zum Festlegen und Überwachen mindestens eines Gefahrenbereichs um den Roboter, in welchem der Aufenthalt des Arbeiters nicht oder nur eingeschränkt erlaubt ist, und/oder zum Festlegen und Überwachen mindestens einer Begrenzung des Gefahrenbereichs sowie zur Detektion zumindest eines Bereichsübertritts des Arbeiters und/oder des Roboters in und/oder aus dem Gefahrenbereich in dem Überwachungssystem vorgesehen und ist vorzugsweise für den Schutz und die Sicherheit des Arbeiters verantwortlich. Die Kontrolleinheit dient der Verarbeitung der erfassten Position und/oder des erfassten Bewegungsverhaltens und detektierter Bereichsübertritte und der Steuerung des Roboters in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder dem erfassten Bewegungsverhalten und in Abhängigkeit von dem mindestens einen detektierten Bereichsübertritt.
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Das erfindungsgemäße Überwachungssystem sieht also vor, den Arbeiter einerseits mit Hilfe der Erkennungseinheit zu beobachten und Hypothesen über dessen Absichten aufzustellen, um die Effizienz der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Arbeiter zu erhöhen, und den Arbeiter andererseits mit Hilfe von sicheren Überwachungssensoren zu beobachten, um, falls die Erkennung der Position und des Bewegungsverhaltens des Arbeiters fehlschlägt, eine Kollision des Arbeiters mit dem Roboter zu verhindern, um die Sicherheit des Arbeiters zu gewährleisten.
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Der mindestens eine Überwachungssensor zum Festlegen und Überwachen des Gefahrenbereichs und/oder der Begrenzung des Gefahrenbereichs ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der mindestens eine Gefahrenbereich und/oder die Begrenzung des mindestens einen Gefahrenbereichs während der Zusammenarbeit von Arbeiter und Roboter in Form, Ausdehnung und/oder Ort veränderbar ist, wobei die Veränderung des Gefahrenbereichs und/oder der Begrenzung des Gefahrenbereichs vorzugsweise von der Position des Arbeiters und/oder vom Bewegungsverhalten mindestens eines Körperteils des Arbeiters und/oder von der Arbeitsweise des Roboters, insbesondere der Geschwindigkeit, der Position, der Beschleunigung, des Bewegungsverhaltens, der geplanten Trajektorie des Roboters, abhängig ist.
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Mittels des mindestens einen Überwachungssensors kann ein verbotener Bereich, in dem der Aufenthalt des Arbeiters untersagt ist, und/oder mindestens ein Warnbereich, in dem vorbestimmte vorzugsweise in Abhängigkeit von der Art und der Arbeitsweise des Roboters bestimmte Bewegungen des Arbeiters erlaubt sind, als Gefahrenbereich festgelegt werden. Beispielsweise kann ein erster oder mehrere erste Überwachungssensoren einen verbotenen Bereich definieren, während ein zweiter oder mehrere zweite Überwachungssensoren einen ersten Warnbereich festlegen. Entsprechend können ein dritter oder mehrere dritte Überwachungssensoren einen zweiten, den ersten Warnbereich überschneidenden und/oder umgebenden zweiten Warnbereich festlegen. Entsprechend können weitere Warnbereiche durch weitere Überwachungssensoren festgelegt werden.
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Die Steuereinheit kann in dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie den Roboter derart steuert, dass dessen Arbeitsweise, insbesondere dessen Geschwindigkeit, dessen Position, dessen Beschleunigung, dessen Bewegungsverhaltens und/oder dessen geplante Trajektorie, und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung zur effizienten Zusammenarbeit zwischen Roboter und Arbeiter auf die erfasste Position und/oder das erfasste Bewegungsverhaltens des Arbeiters abgestimmt ist. So kann der Roboter beispielsweise beschleunigen, wenn der Arbeiter eine geeignete Stellung einnimmt, während er abbremst, sobald der Arbeiter eine seine Sicherheit gefährdende Stellung einnimmt. Durch eine so an die Position und/oder das Bewegungsverhalten des Arbeiters angepasste Arbeitsweise des Roboters führt insbesondere zu einer Optimierung der Effizienz der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Arbeiter.
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Weiterhin ist die Steuereinheit vorzugsweise in der Lage, die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhaltens und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung zum Schutz des Arbeiters in Abhängigkeit von dem mindestens einen detektierten Bereichsübertritt des Arbeiters oder des Roboters in oder aus dem Gefahrenbereich zu verändern. So kann der Roboter beispielsweise beschleunigen, wenn sich der Arbeiter außerhalb des Gefahrenbereichs aufhält, während er abbremst, sobald der Arbeiter die Begrenzung des Gefahrenbereichs überschreitet. Der Überwachungssensor ist als Einheit zur sicheren Positionserkennung zu verstehen, so dass durch die Steuerung des Roboters in Abhängigkeit von Bereichsübertritten hohe Sicherheitsstandards problemlos erfüllt werden.
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In einem MRK-System kann es beispielsweise die Aufgabe des Arbeiters sein, ein Werkstück auf einem Träger zu justieren, und Aufgabe des Roboters, dieses Werkstück nach der Positionierung auf dem Träger zu bearbeiten und weiterzutransportieren. Während der Bearbeitung des Werkstücks durch den Roboter kann der Gefahrenbereich daher weiträumig um die Position des Werkstückträgers ausgedehnt sein, wohingegen während des Abtransports des Werkstücks lediglich der Bewegungszirkel des Roboters während des Abtransports innerhalb des Gefahrenbereichs liegen kann. So ist es möglich, dass währen des Transports der Werkstückträger außerhalb des Gefahrenbereichs liegt und somit der Arbeiter während des Abtransports ein neues Werkstück auf dem Träger justieren kann. Auf diese Weise ist die Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter optimiert.
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Zum Festlegen und Überwachen des Gefahrenbereichs um den Roboter und/oder zum Festlegen und Überwachen der Begrenzung des Gefahrenbereichs ist der mindestens eine Überwachungssensor beweglich, vorzugsweise verschiebbar, angeordnet. Dabei ist der mindestens eine Überwachungssensor jedoch bevorzugt unabhängig von dem Roboter bewegbar.
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Beispielsweise kann der mindestens eine Überwachungssensor verschiebbar an einer Linearachse angeordnet sein. Die Linearachse ist dabei vorzugsweise parallel oder unter einem Winkel α mit 0 ≤ α ≤ 90°, insbesondere 0 ≤ α < 45° zu einer Verbindungslinie zwischen Roboter und Arbeiter und/oder parallel oder unter einem Winkel β mit 0 ≤ β < 90°, insbesondere 0 ≤ β < 45° zur Horizontalen positioniert. Die Verbindungslinie zwischen Roboter und Arbeiter ist dabei eine Achse, welche den Roboter und den Arbeitsplatz in einer Ursprungsstellung miteinander verbindet.
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Zum Festlegen und Überwachen des Gefahrenbereichs um den Roboter und/oder der Begrenzung des Gefahrenbereichs kann auch eine Mehrzahl an Überwachungssensoren, welche ein Sensorgitter bzw. ein Sensorarray ausbilden eingesetzt werden. Dabei sind die einzelnen benachbart zueinander angeordneten Überwachungssensoren vorzugsweise unabhängig voneinander steuerbar, insbesondere geeignet aktivierbar oder deaktivierbar.
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Das Sensorgitter kann beispielsweise in mehrere Spalten 1 bis x und mehrer Zeilen 1 bis y eingeteilt sein, wobei die Zeile 1 vorzugsweise einen minimalen Abstand zum Roboter aufweist, während die Zeile x vorzugsweise einen maximalen Abstand aufweist. Arbeitet der Roboter beispielsweise bei einer minimalen Arbeitsgeschwindigkeit, welche lediglich ein geringes Gefährdungspotenzial für den Arbeiter darstellt, so können die Überwachungssensoren in der Zeile 1 aktiviert werden, während bei hohen Arbeitsgeschwindigkeiten mit maximaler Gefährdung für den Arbeiter beispielsweise Sensoren der Reihe x aktiviert sein können. Entsprechend können auf mehrere Gefahrenbereiche durch Aktivierung bzw. Deaktivierung von Sensoren geeigneter Zeilen des Gitters aktiviert werden.
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Das Sensorgitter kann ggf. auch beweglich, insbesondere verschiebbar angeordnet sein. Auch eine verschiebbare Anordnung des Sensorgitters an einer Linearachse, wie sie oben für den mindestens einen Überwachungssensor beschrieben wurde, ist möglich.
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Der mindestens eine Überwachungssensor der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung kann beispielsweise als Distanzsensor, als kapazitiver Näherungssensor, als Lichtschranke, als Lichtvorhang, als Laserscanner, als Time-of-Flight-Kamera, als stereobasierter Sensor und/oder als 2D-Kamera ausgebildet sein.
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Die Erkennungseinheit der Überwachungsvorrichtung enthält vorzugsweise mindestens einen 2D Sensor, mindestens eine 2D Kamera, mindestens einen 3D Sensor, mindestens eine 3D Kamera, mindestens einen Lichtschnittsensor, mindestens einen kapazitiven Sensor, mindestens einen Distanzsensor, mindestens eine Lichtschranke, mindestens einen Lichtvorhang, mindestens einen Laserscanner, mindestens eine Time-of-Flight-Kamera und/oder mindestens einen stereobasierten Sensor oder besteht aus mindestens einer der genannten Komponenten.
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Die Erkennungseinheit kann ortsfest oder ortsvariabel angeordnet sein. Es ist jedoch vorzugsweise zu gewährleisten, dass die Erkennungseinheit das zu überwachende Mensch-Roboter-Kooperationssystem ganz oder zumindest teilweise erfasst.
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Das Kontrollsystem ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit von der Position und dem Bewegungsverhalten des Arbeiters und je nach der aktuellen Arbeitsweise des Roboters, insbesondere der Geschwindigkeit, der Position, der Beschleunigung, des Bewegungsverhaltens und/oder der geplanten Trajektorie des Roboters, die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhalten und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung, überprüft und gegebenenfalls angepasst wird. Wird ein Bereichsübertritt des Arbeiters und/oder des Roboters registriert, so kann, falls dies notwendig ist, die Arbeitsweise des Roboters und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung verändert werden.
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Beispielsweise wird, wenn ein Bereichsübertritt in den Warnbereich registriert wird, und das Bewegungsverhalten des mindestens einen Körperteils des Arbeiters einem erlaubten Bewegungsverhalten entspricht, die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhalten und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, nicht verändert oder angepasst. Wird dagegen ein Bereichsübertritt des Arbeiters in den verbotenen Bereich oder ein Bereichsübertritt des Roboters aus dem verbotenen Bereich registriert, so ändert das Kontrollsystem die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere hält das Kontrollsystem den Roboter an. Auch wenn ein Bereichsübertritt des Arbeiters in den Warnbereich registriert wird, wobei das Bewegungsverhalten des mindestens einen Körperteils des Arbeiters dem erlaubten Bewegungsverhalten nicht entspricht, hält das Kontrollsystem den Roboter an bzw. verändert dessen Arbeitsweise. Das erlaubte Bewegungsverhalten wird vorzugsweise simuliert, kann aber auch vorher beispielsweise durch Regeln wie zulässige Höchstgeschwindigkeiten, Mindestabstände und Erfahrungswerte bestimmt werden.
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Damit wird einerseits die Arbeitsweise des Roboters an das Bewegungsverhalten des Arbeiters angepasst, so dass eine effiziente Zusammenarbeit erreicht wird, andererseits wird die Sicherheit des Arbeiters durch eine gezielte Arbeitsweisenänderung des Roboters bei unvorhergesehenen Bewegungen des Arbeiters gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Mensch-Roboter-Kooperationssystem, welches mindestens einen Roboter und mindestens einen Arbeitsplatz für mindestens einen mit dem mindestens einen Roboter zusammenarbeitenden Arbeiter sowie eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung aufweist. Die Überwachungsvorrichtung enthält dabei eine Erkennungseinheit zum Erfassen einer Position des Arbeiters und/oder eines Bewegungsverhaltens mindestens eines Körperteils des Arbeiters, mindestens einen Überwachungssensor zum Festlegen und Überwachen mindestens eines Gefahrenbereichs um den Roboter, in welchem der Aufenthalt des Arbeiters nicht oder nur eingeschränkt erlaubt ist, und/oder zum Festlegen und Überwachen mindestens einer Begrenzung des Gefahrenbereichs und zur Detektion eines Bereichsübertritts des Arbeiters und/oder des Roboters in und/oder aus dem Gefahrenbereich und eine Kontrolleinheit zur Verarbeitung der erfassten Position und/oder des erfassten Bewegungsverhaltens und mindestens eines gegebenenfalls detektierten Bereichsübertritts und zur Steuerung des Roboters in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder dem erfassten Bewegungsverhalten und dem gegebenenfalls detektierten Bereichsübertritt.
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Das erfindungsgemäße Mensch-Roboter-Kooperationssystem gewährleistet dabei eine effiziente Zusammenarbeit zwischen dem Arbeiter und dem Roboter mit Hilfe der Erkennungseinheit sowie eine hohe Sicherheit für den Arbeiter durch die zusätzliche Festlegung und Überwachung eines Gefahrenbereichs durch den mindestens einen Überwachungssensor.
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Der mindestens eine Gefahrenbereich und/oder die Begrenzung dieses kann während der Zusammenarbeit von Arbeiter und Roboter in seiner Form, Ausdehnung und/oder Position verändert werden, wobei die Veränderung des Gefahrenbereichs und/oder seiner Begrenzung vorzugsweise von der Position und/oder dem Bewegungsverhalten des Arbeiters und/oder von der Arbeitsweise des Roboters abhängig ist.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Gefahrenbereich als mindestens ein verbotener Bereich, in dem der Aufenthalt des Arbeiters untersagt ist, und/oder mindestens ein Warnbereich, in dem vorbestimmte, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Art und der Arbeitsweise des Roboters bestimmte, Bewegungen des Arbeiters erlaubt sind, definiert.
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Der Roboter kann derart von der Kontrolleinheit steuerbar sein, dass eine Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhaltens und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, zur effizienten Zusammenarbeit zwischen Roboter und Arbeiter an die erfasste Position und/oder das erfasste Bewegungsverhaltens des Arbeiters angepasst ist und/oder zum Schutz des Arbeiters in Abhängigkeit von dem mindestens einen detektierten Bereichsübertritt des Arbeiters oder des Roboters in oder aus dem Gefahrenbereich veränderbar sein.
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Die Veränderung des Gefahrenbereichs wird vorzugsweise durch Bewegen, insbesondere durch Verschieben, des mindestens einen Überwachungssensors oder unter Verwendung eines Sensorgitters aus einer Mehrzahl an Überwachungssensoren, die unabhängig voneinander steuerbar sind, ermöglicht.
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Als Überwachungssensor in dem erfindungsgemäßen MRK-System können als mindestens ein Überwachungssensor beispielsweise mindestens ein Distanzsensor, mindestens ein kapazitiver Näherungssensor, mindestens eine Lichtschranke, mindestens ein Lichtvorhang, mindestens ein Laserscanner, mindestens eine Time-of-Flight-Kamera, mindestens ein stereobasierter Sensor, mindestens eine 2D-Kamera und/oder eine Kombination dieser eingesetzt werden. Die Erkennungseinheit des MRK-Systems enthält mindestens einen 2D Sensor, mindestens eine 2D Kamera, mindestens einen 3D Sensor, mindestens eine 3D Kamera, mindestens einen Lichtschnittsensor und/oder mindestens einen kapazitiven Sensor oder besteht daraus.
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Wie bereits hinsichtlich der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung beschrieben, ist das Kontrollsystem derart ausgebildet, dass die Arbeitsweise des Roboters überprüft und ggf. verändert wird, wobei eine Veränderung vorzugsweise dann erfolgt, wenn ein Bereichsübertritt des Roboters oder des Arbeiters registriert wird oder das Bewegungsverhalten des Arbeiters es erfordert.
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Alle bezüglich des Überwachungssystems beschriebenen Merkmale und Beispiele sind auch auf das Überwachungssystem des erfindungsgemäßen Mensch-Roboter-Kooperationssystems anzuwenden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur sicheren Steuerung mindestens eines Roboters in einem Mensch-Roboter-Kooperationssystem, wobei mindestens ein Arbeiter mit dem mindestens einen Roboter zusammenarbeitet. Erfindungsgemäß wird die eine Position des Arbeiters und/oder ein Bewegungsverhalten mindestens eines Körperteils des Arbeiters erfasst, mindestens einen Gefahrenbereich um den Roboter und/oder mindestens eine Begrenzung des Gefahrenbereichs festgelegt und überwacht und zumindest einen Bereichsübertritt des Arbeiters und/oder des Roboters in und/oder aus dem Gefahrenbereich detektiert. Der Roboter wird in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder dem erfassten Bewegungsverhalten und dem gegebenenfalls detektierten Bereichsübertritt gesteuert.
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Der Gefahrenbereich wird vorzugsweise in Form, Ausdehnung und/oder Ort in Abhängigkeit von der Position und/oder vom Bewegungsverhalten des Arbeiters und/oder von der Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhalten und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, verändert, wobei vorzugsweise mindestens ein Überwachungssensor, welcher den Gefahrenbereich und/oder dessen Begrenzung überwacht, sowie Bereichsübertritte detektiert, bewegt, vorzugsweise verschoben, wird.
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Je nach Position und/oder Bewegungsverhalten des Arbeiters und/oder je nach Arbeitsweise des Roboters kann der Gefahrenbereich also vergrößert, verschoben und/oder in seiner Form verändert werden, um ein optimales, effizientes Zusammenarbeiten zwischen Roboter und Arbeiter zu ermöglichen.
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Als Gefahrenbereich kann einerseits ein verbotener Bereich, in dem der Aufenthalt des Arbeiters untersagt ist und/oder ein Warnbereich, in dem vorbestimmte, vorzugsweise in Abhängigkeit von der Art und Arbeitsweise des Roboters bestimmte Bewegungen des Arbeiters erlaubt sind. Somit ist einerseits wiederum die effiziente Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter innerhalb eines Warnbereichs gegeben, andererseits die Sicherheit, da in einem verbotenen Bereich, in dem eine übermäßige Gefährdung des Arbeiters gegeben ist, der Aufenthalt verboten ist und in einem Warnbereich lediglich der Aufenthalt bei dem erlaubte Bewegungsverhalten des Arbeiters zulässig ist.
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Die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhaltens und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung kann zur effizienten Zusammenarbeit zwischen Roboter und Arbeiter an die erfasste Position und/oder das erfasste Bewegungsverhaltens des Arbeiters angepasst werden und/oder zum Schutz des Arbeiters in Abhängigkeit von dem mindestens einen detektierten Bereichsübertritt des Arbeiters oder des Roboters in oder aus dem Gefahrenbereich verändert werden. Durch die Veränderung der Arbeitsweise und/oder die Form, Ausdehnung und/oder die Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder dem erfassten Bewegungsverhalten kann die Effizienz der Zusammenarbeit zwischen Arbeiter und Roboter gesteigert und optimiert werden, währen durch die Bereichsübertrittsabhängige Veränderung der Arbeitsweise die Sicherheit des Arbeiters erhöht werden kann.
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Vorzugsweise kann die Veränderung des Gefahrenbereichs durch Bewegen mindestens eines Überwachungssensors, insbesondere durch Verschieben dieses, erreicht werden. Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Überwachungssensor entlang einer Linearachse verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann zur Variation des Gefahrenbereichs ein Sensorgitter aus einer Mehrzahl an Überwachungssensoren verwendet werden, wobei die Überwachungssensoren unabhängig voneinander derart steuerbar sind, dass je nach gewünschter Form, Position und/oder Ausdehnung des Gefahrenbereichs ein oder mehrere Überwachungssensoren des Gitters aktiviert oder deaktiviert werden.
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Vorteilhafterweise wird die Arbeitsweise des Roboters überprüft, indem die erfasste Position des Arbeiters, das erfasste Bewegungsverhalten des Arbeiters sowie die detektierten Bereichsübertritte vorzugsweise miteinander abgeglichen werden. Nach dem Überprüfen wird gegebenenfalls, wenn ein Bereichsübertritt des Arbeiters und/oder des Roboters in und/oder aus dem Gefahrenbereich detektiert wurden oder wenn das Bewegungsverhalten des Arbeiters es erfordert, die Arbeitsweise des Roboters verändert werden.
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Vorzugsweise wird die Arbeitsweise des Roboters, insbesondere die Geschwindigkeit, die Position, die Beschleunigung, das Bewegungsverhalten und/oder die geplante Trajektorie des Roboters, nicht verändert oder angepasst, wenn ein Bereichsübertritt in einen Warnbereich registriert wird und das Bewegungsverhalten des mindestens einen Körperteils des Arbeiters einem erlaubten Bewegungsverhalten entspricht. Die Arbeitsweise des Roboters wird dagegen vorzugsweise dann geändert, vorzugsweise indem der Roboter angehalten wird, wenn ein Bereichsübertritt des Arbeiters in den verbotenen Bereich oder ein Bereichsübertritt des Roboters aus dem verbotenen Bereich registriert wird oder wenn ein Bereichsübertritt in einen Warnbereich registriert wird und das Bewegungsverhalten des mindestens einen Körperteils des Arbeiters dem erlaubten Bewegungsverhalten nicht entspricht. Das erlaubte Bewegungsverhalten ergibt sich dabei vorzugsweise aus Simulation oder Regeln, wie beispielsweise zulässige Höchstgeschwindigkeiten, Mindestabstände oder Erfahrungswerte.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit Hilfe eines Überwachungssystems oder eines Mensch-Roboter-Kooperationssystems, wie sie oben beschrieben wurden, durchgeführt werden.
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Vorzugsweise werden die Überwachungsvorrichtung, das MRK-System sowie das Verfahren zur sicheren Steuerung mindestens eines Roboters in einem Mensch-Roboter-Kooperationssystem in einer Vielzahl von Produktionsprozessen verwendet.
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Nachfolgend wird ein Beispiel für das erfindungsgemäße Mensch-Roboter-Kooperationssystem mit Überwachungsvorrichtung gegeben. Es zeigen
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1 ein Diagramm zur Darstellung des Zielkonflikts zwischen Sicherheit und Leistung in Mensch-Roboter-Kooperationssystemen aus dem Stand der Technik;
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2 ein erfindungsgemäßes MRK-System;
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3 ein Flussdiagramm zur erfindungsgemäßen Steuerung eines Roboters in einem MRK-System; und
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4 eine Übersicht über die Effektivität von Mensch-Roboter-Systemen.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßes MRK-System 1 dargestellt. Der Roboter 2 enthält eine Werkbank 20, auf der ein Werkstückträger 21 angeordnet ist. Oberhalb der Werkbank 20 ist als weitere Komponente des Roboters 2 eine Bohrmaschine 22 mit einem Werkzeug 23, welches der Bearbeitung eines auf den Werkstückträger 21 zu positionierenden Werkstücks dient.
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Links vom Robotersystem 2 ist ein Arbeiter 3 positioniert. Oberhalb des Arbeiters 2 sowie des Robotersystems 2 ist eine Überwachungsvorrichtung 4 angeordnet, welche zwei an einer eine Linearachse beschreibenden Schiene 40 verschiebbare Überwachungskameras 41a und 41b sowie eine Kamera 42 aufweist. Die Kamera 42 ist dabei vom Arbeiter 3 aus gesehen hinter sowie oberhalb der Bohrmaschine 22 des Robotersystems 2 ortsfest angeordnet. Die Schiene 40, an welcher die Überwachungskameras 41a und 41b verschiebbar angeordnet sind, ist parallel zu einer Verbindungsachse zwischen dem Robotersystem 2 und dem Arbeiter 3 angeordnet.
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Ausgehend von den Überwachungskameras 41a und 41b sind Begrenzungen 43a und 43b, welche optisch ausgebildet sind, dargestellt. Die Überwachungskamera 41a gibt dabei die Begrenzung 43a eines Warnbereichs an, während die Überwachungskamera 41b die Begrenzung 43b eines verbotenen Bereichs definiert, wobei die Begrenzung 43b aus Sicht des Arbeiters näher am Robotersystem 2 angeordnet ist als die Begrenzung 43a.
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Wird beispielsweise die Bohrmaschine 22 des Robotersystems 2 um eine Rotationsachse 24 rotiert, so bewegt sich die rotierende Maschine 22 vom Arbeiter 3 weg. In diesem Fall kann der verbotene Bereich 43b durch Verschieben der Überwachungskamera 41b weg vom Arbeiter 3 in Pfeilrichtung 44b verschoben werden. Entsprechend kann auch der Warnbereich 43a durch Verschieben der Überwachungskamera 41a in Pfeilrichtung 44a verschoben werden. Ist der verbotene Bereich in eine Richtung weg vom Arbeiter 3 verschoben, so hat der Arbeiter 3 die Möglichkeit, ein Werkstück auf dem Werkstückträger 21 zu positionieren. Um das Werkstück zu bearbeiten, wird die Bohrmaschine 22 zurückbewegt durch Rotation um die Achse 24 und gleichzeitig der verbotene Bereich und ggf. auch der Warnbereich durch Verschieben der Überwachungskameras 41a und 41b in Pfeilrichtung 45a und 45b vergrößert.
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3 zeigt ein Flussdiagramm des Überwachungssystems der vorliegenden Erfindung. Einerseits wird mit Hilfe der Kamera 42, welche als unsichere Sensorik eingestuft wird, die Position sowie das Bewegungsverhalten des Arbeiters 3 erfasst und in einem Schritt S1 an eine Auswerteeinrichtung 51, die Teil eines Kontrollsystems ist, weitergeleitet und ausgewertet. Die Auswerteeinheit 51 erstellt eine Bewegungsvorgabe zur Risikominimierung, die an eine Robotersteuerung 52 übermittel wird (S2). Weiterhin werden mit Hilfe einer sicheren Sensorik, welche als mindestens eine Überwachungskamera 41 ausgebildet ist, ein Bereichsübertritte detektiert und das detektierte Ergebnis ebenfalls an die Robotersteuerung 52 weitergeleitet (S3). In der Robotersteuerung 52 werden die Positionssignale der sicheren sowie der unsicheren Technik 42, 41 verarbeitet, um die Arbeitsweise des Roboters und/oder die Form, Ausdehnung und/oder Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung zu überprüfen und gegebenenfalls zu verändern. Abhängig von der mit der Kamera 42 erfassten Position und dem Bewegungsverhalten des Arbeiters 3 sowie gegebenenfalls detektierten Bereichsübertritten wird die Arbeitsweise des Robotersystems 2 sowie die Form, Ausdehnung und/oder Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung berechnet und an eine Linearsteuerung 53 der Überwachungskameras 41 sowie an das Robotersystem 2 (nicht gezeigt) weitergeleitet (S4). Entsprechend wird gegebenenfalls die Arbeitsweise des Roboters und/oder die Form, Ausdehnung und/oder Position des Gefahrenbereichs und/oder dessen Begrenzung mittels der Linearsteuerung eingestellt (S5).
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4 zeigt eine Tabelle, welche die Produktivität von Robotersystemen alleine sowie von Mensch-Roboter-Systemen mit einer oder mehreren Zellen darstellt, wobei eine Zelle als Roboter einschließlich eines Gefahrenbereichs um den jeweiligen Roboter zu verstehen ist. Das Überwachungssystem kann dabei einen oder mehrere Roboter eines Mensch-Roboter-System überwachen, d. h. jedem einzelnen Roboter oder aber einer Gruppe von Robotern kann ein Überwachungssystem zugeordnet sein. Es ist auch möglich, dass sich einzelne Zellen bzw. Gefahrenbereiche um benachbarte Roboter überschneiden.
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Einzelne Roboter bzw. einzelne Zellen sind in der Lage, eine bestimmte Leistung zu erzielen. Arbeitet ein Arbeiter mit zwei Robotern zusammen, so kann die Effizienz des einen Robotersystems um 50% gesteigert werden. Wird dagegen eine Zusammenarbeit zwischen zwei Robotern und zwei Arbeitern betrachtet, so kann die Effektivität der beiden Roboter jeweils um 50% gesteigert werden. Es ergibt sich also, dass Mensch-Roboter-Systeme in einer guten Art und Weise effizient zusammenarbeiten können, insbesondere wenn die beiden Roboter mit Hilfe der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung gesteuert werden. Ein solches Mensch-Roboter-System kann vorzugsweise derart ausgelegt bzw. betrieben werden, dass von Mensch und Roboter jeweils die beste Fähigkeit ausgenutzt wird, beispielsweise die guten Sensorischen Fähigkeiten des Menschen und dessen Lern- und Weiterentwicklungskompetenz. Dadurch wird eine optimale Qualität und Effizienz sichergestellt.
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Zusammenfassend überwindet die vorliegende Erfindung den eingangs beschriebenen Zielkonflikt zwischen leistungsfähiger Zusammenarbeit von Roboter und Arbeiter und Sicherheit des Arbeiters. Um einen maximalen Schutz des Arbeiters zu gewährleisten, wird, wenn der Arbeiter sich unbewusst und unabsichtlich in Gefahr bringt oder die Position und das Bewegungsverhalten des Arbeiters fehlerhaft bestimmt wurde, mittels der sicheren Positionsbestimmung des Arbeiters in übergeordneter Weise die Arbeitsweise des Roboters verändert. Solange der Arbeiter sich jedoch an die Benutzervorgaben hält, unterliegt der Roboter keinen Arbeitsraumeinschränkungen, keinen Handhabungsgewichtbeschränkungen und keinen Geschwindigkeitsbeschränkjungen und der Arbeiter kann dem Roboter sehr nahe kommen und viele Aufgaben kooperativ mit dem Roboter durchführen. Außerdem passen sich Arbeitsumfänge von Arbeiter und Roboter automatisch nach Benutzervorgaben an, d. h. der Roboter arbeitet weiter, auch wenn der Arbeiter die Zelle beispielsweise verlässt.
