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Die Erfindung betrifft eine Technologie zur Planung und Überwachung von Mensch-Roboter-Kollaborationsabläufen. Unter Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) wird das Zusammenwirken von Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsbereich verstanden. Der Teil des Arbeitsbereichs, in dem sich der Bewegungsbereich eines Roboters und der Zugriffsbereich eines Menschen überlagern, wird als Kollaborationsbereich bezeichnet. Unter Kollaborativbetrieb wird ein Zustand verstanden, in dem ein oder mehrere für einen bestimmten Zweck entwickelte Roboter (Manipulatoren) in direkter, d.h. interagierender Kooperation mit einem Menschen zusammenarbeiten.
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Die Technologie umfasst zumindest ein Überwachungsverfahren sowie ein Überwachungssystem und die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls zur Bestimmung von zulässigen Geschwindigkeiten für eine tatsächlich verfolgte Bewegungsbahn eines Manipulators.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technologie aufzuzeigen, mit der die Überwachung von einem oder mehreren Robotern (Manipulatoren) im Kollaborativbetrieb verbessert werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen in den jeweiligen eigenständigen Ansprüchen.
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Die Planung und Einrichtung des Manipulators für den Kollaborativbetrieb kann anhand eines Planungsverfahrens und/oder mittels eines Planungssystems erfolgen, die ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Offenbarung sind.
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Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration ist die direkte Mitarbeit bzw. Zusammenarbeit zwischen einem Menschen und einem Manipulator erforderlich. Die Vorteile der menschlichen Lösungskompetenz und Flexibilität sollen mit den Vorteilen der Manipulatortätigkeit, wie hoher Belastbarkeit und hoher Genauigkeit kombiniert werden. Damit dennoch ein sicheres Zusammenarbeiten gewähreistet ist, soll der Manipulator nur jeweils mit solchen Geschwindigkeiten betrieben werden, dass unzulässige Beeinträchtigungen des Menschen selbst im Falle der Kollision vermieden werden. Diese Geschwindigkeiten werden als zulässig betrachtet.
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Von dem Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung kann im Falle einer unvorhergesehenen Kollision eine Verletzungsgefahr ausgehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn größere Massen bewegt werden, eine Kollision mit einer zu hohen Geschwindigkeit auftritt, ein menschliches Körperteil zwischen den Manipulator bzw. der Bestückung und einem anderen Objekt geklemmt oder gequetscht wird, oder eine Kollision mit einem besonders verletzlichen Körperteil oder Körperbereich geschieht. Auch die Kontur des an der Kollision beteiligten Teils, d.h. die in eine Kollision einbezogene Grenzgeometrie, hat Einfluss auf eine Verletzungsgefahr. Dies betrifft einerseits eine Kontur des Manipulators bzw. der Manipulatorbestückung. Andererseits kann die Kontur eines im Zugriffsbereich des Manipulators angeordneten externen Gegenstands, wie eines Bauteils oder einer vorrichtungstechnischen Einrichtung, relevant sein, sofern sie an der Kollision beteiligt ist. Dies betrifft besonders den Fall einer Quetschung eines menschlichen Körperteils zwischen einem Manipulator bzw. einer Manipulatorbestückung und dem externen Gegenstand.
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Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen von Industrierobotern ist bei der Mensch-Roboter-Kollaboration eine länger andauernde Anwesenheit von mindestens einem Menschen im Bewegungsraum des mindestens einen Manipulators vorgesehen und es gibt keine strikte zeitliche oder örtliche Separation der Tätigkeitsbereiche von Mensch und Manipulator. Vielmehr überlappen sich der Bewegungsraum des Manipulators und der Zugriffsbereich des Menschen. Der Überlappungsbereich wird als Kollaborationsbereich bezeichnet. Er kann in mehrere Zonen unterteilt sein.
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Ein Planungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dient zur Einrichtung mindestens eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen. Das Verfahren ist somit ein Arbeitsverfahren, das beispielsweise während der Einrichtung oder Neuanpassung einer industriellen Produktionsanlage durchgeführt werden kann. Es wird bevorzugt automatisiert oder teilautomatisiert auf einem Computersystem ausgeführt. Es kann beispielsweise in Form einer Software umgesetzt sein und Schnittstellen zu einem Manipulator bzw. zu einer Manipulatorsteuerung aufweisen. Durch das Planungsverfahren wird ein Bewegungsplan für die Tätigkeit eines Manipulators vorgegeben. Die Tätigkeit betrifft eine Kollaboration (interagierende Zusammenarbeit) mit einem Menschen. Der Ort der Zusammenarbeit zwischen Mensch und Manipulator ist räumlich festlegbar und in sog. Mensch-Roboter-Kollaborationszonen (MRK-Zonen) einteilbar.
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Das Planungsverfahren umfasst zumindest die nachfolgend genannten Schritte, die bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Alternativ können die Schritte teilweise oder vollständig parallelisiert oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Schritte sind:
- • Erfassen eines Layouts eines Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator in Menschen-Robotor-Kollaboration betrieben werden soll. Das Layout wird in einer geordneten Datenstruktur abgelegt, beispielsweise in Form einer CAD-Datei.
- • Kennzeichnung von einem oder mehreren Teilbereichen des Layouts als Mensch-Roboter-Kollaborationszonen;
- • Erfassen einer vorgesehenen Manipulatorbestückung für die durchzuführende Tätigkeit. Die Manipulatorbestückung kann insbesondere ein Werkzeug, beispielsweise ein Greifwerkzeug, und/oder ein Werkstück umfassen und/oder eine Stelle oder einen beliebigen Punkt am Roboter selbst. Es werden insbesondere Außenkonturen der Manipulatorbestückung sowie Massen und ggf. Schwerpunktkoordinaten erfasst;
- • Erfassen eines Bewegungsplans für eine von dem Manipulator durchzuführende Tätigkeit innerhalb des Layouts. Der Bewegungsplan wird bevorzugt als Trajektorie, d. h. als Bewegungslinie erfasst und im Hinblick auf Lage und Orientierung festgelegt. Der Bewegungsplan kann für einen Hauptbezugspunkt (Point of Interest POI), beispielsweise einen sog. Tool Center Point (TCP) oder einen Manipulatorflansch festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bewegungsplan für weitere Bezugspunkte des Manipulators und/oder der Manipulatorbestückung festgelegt sein;
- • Ermittlung von zulässigen Prozessgeschwindigkeiten für Abschnitte des Bewegungsplans mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls und auf Basis der erfassten Daten. Das automatisierte Bewertungsmodul gibt solche Geschwindigkeiten aus, die bei einer Kollision des Manipulators bzw. der Manipulatorbestückung mit dem Menschen und ggf. unter Einwirkung weiterer Objekte in dem Layout zu einer als zulässig erachteten Beeinträchtigung führen würden.
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Das Bewertungsmodul kann beispielsweise eine Tabelle oder Datenbank mit empirisch ermittelten Daten über Beeinträchtigungen eines Menschen bei Kollisionen einer Grenzgeometrie mit einem bestimmten Körperteil enthalten. In einer solchen Tabelle oder Datenbank kann beispielsweise ein strukturierter Zusammenhang hergestellt sein, zwischen:
- • Vorbestimmten Grenzgeometrien (sog. Primitive wie Keilform / Prisma, Kegel, Pyramide, Sphäre etc. mit unterschiedlichen Radien, Öffnungswinkeln, Kantenlängen etc.);
- • Kollisionsgeschwindigkeiten;
- • Bewegten Massen des mit dem Menschen in Kollision gebrachten Körpers;
- • Erfassten Beeinträchtigungen (bspw.: keine Beeinträchtigung, Schmerzempfinden, Prellung ohne Verletzung der Haut, leichte oberflächliche Hautverletzung, mittelgradige Verletzung der Haut, etc.)
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Das Bewertungsmodul weist (infolge der empirischen Ermittlung) eine Struktur auf, die in Abhängigkeit von einer kategorisierten Kollisionssituation angibt, bei welchen Kollisionsgeschwindigkeiten bestimmte Beeinträchtigungen auftreten.
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Bei der Ermittlung der zulässigen Geschwindigkeiten werden die abgelegten Daten in umgekehrter Reihenfolge abgefragt. Das heißt, das Bewertungsmodul wird in der Weise verwendet, dass Eingabe-Parameter übergeben werden, die eine der kategorisierten Kollisionssituation und eine als zulässig erachtete Beeinträchtigung festlegen. Anhand dieser Eingabedaten wird eine Geschwindigkeit (insbesondere die höchste Geschwindigkeit) abgefragt, die diesen Parametern entspricht. Diese Geschwindigkeit wird als zulässige Geschwindigkeit für die Bewegung eines Bezugspunktes des Manipulators oder einer Manipulatorbestückung übernommen.
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Durch das Planungsverfahren kann die Sicherheit der Mensch-Roboter-Kollaboration erhöht werden. Für jeden Abschnitt des Bewegungsplans kann eine Prüfung erfolgen, welche maximal zulässigen Geschwindigkeiten angewendet werden können, bzw. ob bereits geplante Prozessgeschwindigkeiten die ermittelten zulässigen Prozessgeschwindigkeiten überschreiten. Diese Prüfung kann ggfs. wiederholt durchgeführt werden.
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Bereits bei der Ersterfassung kann dem Bewegungsplan ein Geschwindigkeitsprofil zugeordnet werden, das überprüft werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann zu einem späteren Zeitpunkt eine manuelle Veränderung oder eine Neuvorgabe von Geschwindigkeiten erfolgen, die dann zu prüfen sind.
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Die in dem Bewegungsplan enthaltenen Geschwindigkeitswerte werden allgemein als „geplante Geschwindigkeiten“ bezeichnet. Die gegebenenfalls bei der Ersterfassung zugewiesenen Geschwindigkeiten werden als „vordefinierte Geschwindigkeiten“ bezeichnet. Sie können im weiteren Verlauf der Planung teilweise oder vollständig durch andere Geschwindigkeitswerte ersetzt werden.
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Ein Bewegungsplan und ein zugewiesenes Geschwindigkeitsprofil können auf schnelle und einfache Weise in die Steuerung eines Manipulators übertragen werden, bspw. über eine online-Datenübertragung. Hierdurch kann ein Bewegungsplan sehr schnell in eine tatsächliche Tätigkeit umgesetzt werden.
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Ein Geschwindigkeitsprofil kann dokumentiert und ggf. im Hinblick auf die Arbeitssicherheit zertifiziert werden. Es kann als Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik und/oder als Geschwindigkeits-Weg-Charakteristik ausgegeben werden. Es beinhaltet bevorzugt für alle Abschnitte, in denen eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) auftritt oder auftreten kann, die geplanten Geschwindigkeiten sowie die ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten. Ein solches Geschwindigkeitsprofil kann als überprüfbarer Nachweis für eine den Sicherheitsanforderungen entsprechende Auslegung eines MRK-Betriebs genutzt werden und dient so der Ermöglichung des Einsatzes von MRK-Systemen in der industriellen Fertigung.
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Im Folgenden wird die momentane Geschwindigkeit eines bestimmten Bezugspunktes (bspw. TCP, Lagerstelle / anderer POI) als Prozessgeschwindigkeit bezeichnet. Sie kann einer momentanen Position des Bezugspunktes zugewiesen sein.
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Die Planung der jeweiligen Prozessgeschwindigkeiten in den Abschnitten des Bewegungsplans kann teil- oder vollautomatisiert erfolgen. Hierdurch wird die Zahl der Anpassungen eines Bewegungsplans zur Erreichung eines erwünschten Tätigkeitsprofils, insbesondere einer gewünschten Taktzeit, erheblich reduziert. Von einem Planer muss in dem Bewegungsplan zunächst lediglich eine Trajektorie für die von dem Manipulator auszuführende Tätigkeit vorgegeben werden. Auf das Vordefinieren von Geschwindigkeiten für diesen Bewegungsplan kann teilweise oder vollständig verzichtet werden. Die Planung der Geschwindigkeiten, insbesondere eine Zuweisung der jeweils maximal zulässigen Prozessgeschwindigkeit, kann voll- oder teilautomatisiert durch das Planungsverfahren (die Planungssoftware) erfolgen. Hierdurch wird der Zeitaufwand für die Planung und Auslegung der Manipulatortätigkeit erheblich reduziert. Ferner wird die Komplexität der Planungsaufgabe verringert und es können erhebliche Kosteneinsparungen erreicht werden. Somit kann die Einrichtung einer Fertigungszelle insgesamt deutlich beschleunigt werden.
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Wenn Geschwindigkeiten vordefiniert oder manuell angepasst worden sind oder wenn eine Änderung von anderen Parametern des Layouts oder der Trajektorie erfolgt sind, können in dem Geschwindigkeitsprofil Abschnitte ermittelt werden, in denen eine geplante Prozessgeschwindigkeit höher ist als eine ermittelte zulässige Prozessgeschwindigkeit. Mit anderen Worten können diejenigen Bereiche ermittelt und angezeigt werden, die noch nicht den Sicherheitsanforderungen entsprechen. Für solche Abschnitte kann eine manuelle oder ggf. eine automatisierte Optimierung des Bewegungsplans vorgesehen werden.
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Die Festlegung von MRK-Zonen in dem Layout kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch manuelle Eingabe oder Datenübernahme von einem externen System. Alternativ kann eine automatisierte oder teilautomatisierte Zonenfestlegung erfolgen. Hierfür können insbesondere die Erreichbarkeit eines bestimmten Bereichs innerhalb des Layouts einerseits durch den Manipulator bzw. die Manipulatorbestückung und andererseits durch einen Menschen berücksichtigt werden.
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Die Erreichbarkeit durch den Manipulator kann sich aus dem bekannten Aufbau und der bekannten Außenkontur der Bestandteile des Manipulators und/oder seiner Bestückung sowie den im Layout festgelegten sonstigen Objekten ergeben.
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Eine Erreichbarkeit durch einen Menschen innerhalb des Layouts kann auf Basis einer anthropologischen Datenbasis ermittelt werden. In einer solchen Datenbasis (insbesondere Datenbank) sind für unterschiedliche Größen von Menschen – meist nach Perzentilen geordnet – vielerlei Daten hinterlegt, wie beispielsweise Körpermaße, Bewegungszonen, aufbringbare Kräfte etc. In Abhängigkeit von dem Layout können potentielle Aufenthaltsorte eines Menschen und davon ausgehend mit bestimmten Körperteilen erreichbare Räume berechnet werden. Diese Räume können, soweit sie sich mit der Erreichbarkeit durch einen oder mehrere Manipulatoren überlappen, als potentielle MRK-Zonen identifiziert werden. Ferner können in Abhängigkeit von einer anthropologischen Datenbasis automatisch diejenigen Körperteile oder Körperbereiche ermittelt werden, deren Anwesenheit in einer Zone zu erwarten ist.
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Die Kennzeichnung von MRK-Zonen kann auch teilautomatisiert erfolgen, wobei zunächst auf Basis des Layouts und der anthropologischen Datenbasis Vorschläge für eine Zoneneinteilung erzeugt werden und dann anschließend eine manuelle Nachkennzeichnung erfolgt.
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Für die MRK-Zonen werden bevorzugt potenziell von einer Kollision betroffene Körperteile oder Körperregionen eines Menschen angegeben. Ferner kann eine zu erwartende Kollisionsart angegeben werden.
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Die MRK-Zonen können alternativ oder zusätzlich mit Risikoklassen bewertet werden. Die Bewertung kann auf beliebige Weise erfolgen. Sie kann einerseits von der Art einer zu erwartenden Kollision in einer Zone abhängen. Beispielsweise können Zonen, in denen eine Quetschgefahr für ein menschliches Körperteil zwischen dem Manipulator oder der Manipulatorbestückung und einem anderen Objekt besteht, mit einem höheren Risiko bewertet werden. Demgegenüber können Zonen, in denen lediglich ein Zusammenstoßen mit einem ausweichfähigen Körperteil des Menschen zu erwarten ist, mit einer niedrigeren Risikoklasse bewertet werden usw. Ferner kann die Risikobewertung in Abhängigkeit von den Körperteilen oder Körperregionen des Menschen vorgenommen werden, deren Anwesenheit in der jeweiligen Zone erwartet werden kann.
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Die Bewertung mit Risikoklassen kann ebenfalls automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Layout und dem Bewegungsplan, sowie ggf. in Abhängigkeit von den potentiell von einer Kollision betroffenen Körperteilen.
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Eine Risikobewertung kann schließlich dahingehend erfolgen, ob die Anwesenheit eines Menschen bzw. eines Körperteils des Menschen in der jeweiligen MRK-Zone bei bestimmungsgemäßer Durchführung der Tätigkeit vorgesehen, möglich oder verboten bzw. durch andere Maßnahmen ausgeschlossen ist.
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Durch die Festlegung der MRK-Zonen kann eine besonders genaue und risikogerechte Planung eines Kollaborationsbetriebs erfolgen, so dass bei Einhaltung der erforderlichen Sicherheit und Minimierung des Verletzungsrisikos eine maximale Effizienz der Manipulatortätigkeit erreichbar wird.
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Die Planungstechnologie gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Planungssystem zur Einrichtung eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen in einer gemeinsamen Arbeitszone. Das Planungssystem umfasst zumindest eine Recheneinheit, eine geordnete Datenstruktur (bspw. Datenbank / Datei), eine Eingabemaske sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul, wobei durch das Planungssystem das vorgenannte Planungsverfahren ausgeführt wird.
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Die Planungstechnologie umfasst ferner die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls, das zulässige Prozessgeschwindigkeiten ermittelt. Die Ermittlung der Geschwindigkeiten erfolgt auf Basis von Eingabedaten, die eine kategorisierte Kollisionssituation auswählen und ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung angeben. Sie enthalten bevorzugt Angaben über eine Grenzgeometrie eines bewegten Festkörpers, eine bewegte Masse und eine von einer eventuellen Kollision betroffene menschliche Körperzone.
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Die Verwendung des Bewertungsmoduls erfolgt für die Einrichtung eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb. Die Eingabedaten werden aus geplanten Prozessdaten, insbesondere aus einem Bewegungsplan eines Manipulators sowie dessen bekannten Geometrien (Außenkonturen) und Massen (Massenverteilung) gewonnen. Eine Angabe über eine von der Kollision betroffene Körperzone kann aus Informationen über MRK-Zonen und/oder zugewiesenen Risikoklassen gewonnen werden. Die Gewinnung und Zusammenstellung der Eingabedaten erfolgt bevorzugt automatisiert.
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Die Eingabedaten werden bevorzugt als Daten-Tupel, beispielsweise in der Form von Werteketten, an das Bewertungsmodul übermittelt. Für jedes Daten-Tupel wird durch das Bewertungsmodul intern eine zulässige (maximale) Prozessgeschwindigkeit ermittelt. Die interne Ermittlung erfolgt auf beliebige Weise, insbesondere durch Abruf aus einer Tabelle oder Datenbank mit empirisch ermittelten Werten.
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Die Daten-Tupel können in Abhängigkeit von dem verwendeten Bewertungsmodul zusammengesetzt sein. Sie können beispielsweise als Übergabe-Informationen beinhalten:
- • eine im Kollisionspunkt wirksame Masse,
- • eine oder mehrere im Falle einer Kollision kontaktgefährdete menschliche Körperzonen oder Körperbereiche, und/oder eine Risikoklasse,
- • eine Grenzgeometrie (Kollisionsgeometrie / Primitive) im Bezugspunkt,
- • ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung.
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Auf Basis der von dem Bewertungsmodul ausgegebenen momentan zulässigen Geschwindigkeit wird die Prozessgeschwindigkeit des Manipulators geplant und vorgegeben.
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Die Planungstechnologie umfasst weiterhin eine MRK-Bearbeitungsstation mit einem vorbestimmten Layout und mindestens einem Manipulator, der im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen arbeitet, wobei der Manipulator auf Basis eines Bewegungsplans gesteuert wird. Der Bewegungsplan umfasst eine Trajektorie und ein Geschwindigkeitsprofil, die durch ein vorgenanntes Planungsverfahren vorgegeben sind. Der Bewegungsplan umfasst insbesondere für jeden Abschnitt eine geplante Prozessgeschwindigkeit, die die zulässige Prozessgeschwindigkeit einhält oder unterschreitet.
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Während des Betriebs kann die tatsächliche Bewegungsbahn eines Manipulators von dem Bewegungsplan zeitlich und/oder örtlich abweichen. In einem solchen Fall können Kollisionssituationen auftreten, die bei der Planung nicht berücksichtigt waren.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein Überwachungsverfahren vorgeschlagen, das kontinuierlich die Geschwindigkeiten der Teilbewegungen eines Manipulators bzw. einer Manipulatorbewegung bei der tatsächlich verfolgten Bewegungsbahn erfasst, zulässige Geschwindigkeiten für diese Bewegungsbahn ermittelt und die Einhaltung der zulässigen Geschwindigkeiten überprüft. Das Überwachungsverfahren kann bevorzugt auf die während eines Planungsverfahrens erfassten Daten zurückgreifen, insbesondere in Bezug auf die Konturen und Massen des Manipulators und der Manipulatorbestückung sowie das Layout des Arbeitsbereichs. Die in dieser Offenbarung für ein Planungsverfahren und ein Planungssystem gemachten Angaben gelten somit in gleicher Weise für ein Überwachungsverfahren sowie ein Überwachungssystem. Alternativ können die für das Überwachungsverfahren genutzten Daten separat erfasst werden.
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Das Überwachungsverfahren umfasst bevorzugt die folgenden Schritte:
- • Erfassen eines Layouts eines Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator in Menschen-Robotor-Kollaboration betrieben werden soll. Das Layout wird in einer geordneten Datenstruktur abgelegt, beispielsweise in Form einer CAD-Datei.
- • Kennzeichnung von einem oder mehreren Teilbereichen des Layouts als Mensch-Roboter-Kollaborationszonen;
- • Erfassen einer vorgesehenen Manipulatorbestückung für die durchzuführende Tätigkeit.
- • Erfassen einer tatsächlichen Bewegungsbahn des Manipulators innerhalb des Layouts. Die Bewegungsbahn wird zumindest als Trajektorie, d. h. als Bewegungslinie erfasst und im Hinblick auf Lage und Orientierung festgelegt. Die Bewegungsbahn kann bevorzugt für einen Hauptbezugspunkt (Point of Interest POI), beispielsweise einen sog. Tool Center Point (TCP) oder einen Manipulatorflansch erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Bewegungsbahn für weitere Bezugspunkte des Manipulators und/oder der Manipulatorbestückung erfasst werden;
- • Ermittlung von zulässigen Prozessgeschwindigkeiten für Abschnitte der Bewegungsbahn mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls und auf Basis der erfassten Daten.
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Das für die Überwachung der Manipulatorbewegung eingesetzte Bewertungsmodul kann bevorzugt mit dem in der Planung verwendeten Bewertungsmodul identisch sein. Alternativ kann das Bewertungsmodul für die Verwendung in einem Überwachungsverfahren optimiert sein, um möglichst schnelle Zugriffszeiten zu unterstützen. Eine Optimierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Auszug erstellt wird, der die relevanten Werte für die vorgesehene Manipulatorbestückung (bspw. bestimmte Werkzeuge) enthält und dass für solche Werkzeuge bereits die jeweiligen Teilmassen und/oder Grenzgeometrien festgelegt sind.
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Die vorliegende Offenbarung umfasst ein Überwachungssystem zur Überwachung eines Manipulators im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen in einer gemeinsamen Arbeitszone. Das Überwachungssystem umfasst zumindest eine Recheneinheit, eine geordnete Datenstruktur (bspw. Datenbank / Datei), eine Eingabemaske sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul, wobei durch das Überwachungssystem das vorgenannte Überwachungsverfahren ausgeführt wird.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung aufgezeigt.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen im Einzelnen:
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1: Einen Manipulator mit sieben Bewegungsachsen und sieben Gliedern im Schrägbild;
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2 und 3: Alternative Orientierungen einer Manipulatorbestückung bei der Nachverfolgung einer Bewegungsbahn;
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4: Eine Draufsicht auf ein Layout für eine Arbeitszone, in der ein Manipulator im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen tätig ist;
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5: Eine schematische Darstellung eines Planungssystems;
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6: Ein Oszillator-Diagramm zur Gegenüberstellung von tatsächlichen und zulässigen Geschwindigkeiten eines Manipulators mit Hervorhebung einer betroffenen MRK-Zone;
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7: Einen Auszug aus einer anthropologischen Datenbasis.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Planungsverfahren zur Einrichtung mindestens eines Manipulators (10) für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28), insbesondere zur Festlegung eines Bewegungsplans bzw. einer Bewegungsbahn (Path) für einen oder mehrere Bezugspunkte (K1, K2, K3) an dem Manipulator (10) oder einer Manipulatorbestückung (36). Sie betrifft ferner ein Überwachungsverfahren. Das Planungsverfahren und/oder das Überwachungsverfahren werden bevorzugt auf einem Computersystem (30) ausgeführt.
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Unter einem Bewegungsplan wird im Folgenden zumindest eine Trajektorie verstanden, d.h. eine Menge von Positionskoordinaten (X, Y, Z), die von einem Bezugspunkt (K1, K2, K3) in einer vorgegebenen Reihenfolge erreicht werden sollen. Ein Bewegungsplan kann zusätzlich ein Geschwindigkeitsprofil umfassen. Das Geschwindigkeitsprofil enthält Angaben darüber, welche Bewegungen zu welchem Zeitpunkt und/oder an welcher Position mit welcher Geschwindigkeit ausgeführt werden sollen. Ein Geschwindigkeitsprofil kann für alle Abschnitte eines Bewegungsplans oder nur für einen Teil des Plans vorgesehen sein.
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Der Manipulator (10) kann, insbesondere durch Steuerung oder Regelung der Antriebe für die Bewegungsachsen (I–VII), so gesteuert werden, dass ein bestimmter Bezugspunkt eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgt, die mit dem Bewegungsplan für diesen Bezugspunkt übereinstimmt. Wenn die tatsächliche Bewegungsbahn von dem Bewegungsplan abweicht, kann ggfs. eine automatisierte Rückführung zur geplanten Bahn erfolgen. Ferner kann für jede tatsächliche Bewegungsbahn eine Überwachung ausgeführt werden, die überfprüft ob die für diese Bahn ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten eingehalten werden. Falls ein Überschreiten der zulässigen Geschwindigkeiten festgestellt wird, können verschiedene Maßnahmen ausgelöst werden. Beispielsweise kann eine Warnung an einen Werker ausgegeben werden, dass eine erhöhte Verletzungsgefahr droht und er sich vom Manipulator wegbewegen solle. Ferner kann ein Protokoll über die erfolgte Überschreitung erzeugt werden, das eine eventuelle Überarbeitung der Prozessplanung unterstützen kann. Schließlich kann eine Begrenzung der momentanen Prozessgeschwindigkeit auf die zulässige Geschwindigkeit erfolgen.
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Der Bewegungsplan kann abschnittsweise oder insgesamt Orientierungsdaten (u, v, w) beinhalten, die eine Ausrichtung des Bezugspunkts im Raum vorgeben.
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1 zeigt beispielhaft einen Manipulator (10) in einer bevorzugten Ausführungsform. Es handelt sich um einen Leichtbauroboter mit sieben jeweils einzeln ansteuerbaren Achsen (I–VII). Der Manipulator (10) kann mit verschiedenen Regelungsstrategien betrieben werden. Insbesondere ist es möglich, den Manipulator (10) in eine federnde Betriebsart zu versetzen, in der der Manipulator (10) kraftgeregelt einen Bewegungsplan verfolgt.
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Der Manipulator kann bei Überschreitung einer voreingestellten Gegenkraft, beispielsweise im Kollisionsfall, stehen bleiben oder ausweichen und somit eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgen, die gegenüber dem Plan abweicht. Durch die federnde Betriebsart wird erreicht, dass der Manipulator schnell zur geplanten Bahn zurückkehrt, und durch die Ausweichfähigkeit wird das Verletzungsrisiko verringert.
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Der in 1 dargestellte Manipulator (10) weist insgesamt sieben Glieder auf. Das erste Glied (16) ist als Manipulatorhand ausgebildet, an der ein Flansch (12) zur Aufnahme einer Bestückung (36) angeordnet ist. Der Flansch (12) hat eine Flanschachse (14). Alle weiteren Glieder (17, 18, 20, 22, 24) bis hin zum Fuß (26) sind über jeweils eine separat steuerbare Bewegungsachse (VI–I) mit dem jeweils vorhergehenden Glied verbunden. Die Glieder sind so ausgebildet, dass sie Außenkonturen mit großen Radien aufweisen und auch bei einer eingezogenen Haltung des Manipulators (10) jeweils genügend Freiraum zwischen den Gliedern lassen, so dass Klemmungen der Hände oder anderer Körperteile weitgehend vermieden werden.
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4 zeigt beispielhaft ein Layout (32) eines Arbeitsbereichs, in dem eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ausgeführt werden soll. In dem Layout sind mehrere Objekte erfasst, darunter insbesondere ein Manipulator (10) und gegebenenfalls vorgesehene Aufenthaltsbereiche für einen Menschen (28). In dem Layout ist ferner mindestens ein Kollaborationsbereich (50) erfasst, d.h. ein Bereich in dem sich die Erreichbarkeit von Manipulator (10) und Mensch (28) überschneiden. Außerhalb des Kollaborationsbereichs liegt eine „Freie Zone“, die durch den Manipulator nicht erreichbar ist. Das Layout ist bevorzugt in einem Planungssystem zweidimensional oder dreidimensional als Datenmodell hinterlegt. Es kann beispielsweise als CAD-Modell vorliegen. Das CAD-Modell kann zur Erfassung des Layouts neu erzeugt und/oder über eine Schnittstelle importiert werden.
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Das in 4 dargestellte Layout (32) zeigt mehrere Objekte, darunter einen L-förmigen Tisch in dessen Mitte ein Manipulator (10) angeordnet ist. Auf dem Tisch sind mehrere als Rechtecke dargestellte Arbeitsbereiche angeordnet, die entweder nur von dem Menschen (28) (siehe Arbeitsbereich links unten), nur von dem Manipulator (10) (siehe mit MRK 4 gekennzeichneten Bereich) oder im Kollaborationsbereich (50) sowohl vom Manipulator (10) als auch vom Menschen (28) erreichbar sind. Für eine potenzielle Quetschung relevante Kanten der Objekte werden bevorzugt gekennzeichnet. In 4 ist beispielsweise eine Kante (K4) eines Behälters (externes Objekt) hervorgehoben, an der eine Manipulatorbestückung vorbeigeführt wird. Für solche für Quetschungen relevanten Kanten können bevorzugt zusätzliche Daten erfasst werden, wie beispielsweise eine relevante Grenzgeometrie sowie Grenzradien. Die Grenzradien können als Mindestradien hinterlegt sein. Ggfs. kann eine Erfassung der für Quetschungen relevanten Kanten automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen.
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Innerhalb des Layouts (32) soll durch den Manipulator (10) in Zusammenwirkung mit dem Menschen (28) eine MRK-Tätigkeit ausgeführt werden. Hierbei soll der Manipulator (10) Bewegungen ausführen, insbesondere ein angeflanschtes Werkzeug und/oder Werkstück bewegen und dabei ggf. mit anderen Objekten oder dem Menschen (28) zusammenwirken. Es können auch Wechsel der Manipulatorbestückung (36) vorgesehen sein, bspw. durch Aufnehmen von Werkstücken oder einen Werkzeugtausch.
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Für die Durchführung der Tätigkeit folgt der Manipulator (10) einer geplanten Bewegung, d.h. dem Bewegungsplan. In den Zeichnungen wird aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht zwischen einem Bewegungsplan und der tatsächlich verfolgten Bewegungsbahn (Path) unterschieden.
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In 4 ist beispielhaft eine Bewegungsbahn (Path) gezeigt, die durch einen Bewegungsplan mit zwei Hauptabschnitten (Sec1, Sec2) vorgegeben ist. Der Bewegungsplan kann beliebig fein in Unterabschnitte untergliedert sein. In dem gezeigten Beispiel ist eine Bewegungsbahn für einen Tool-Center-Point (TCP), also einen Hauptbezugspunkt (K1) einer Manipulatorbestückung (36), vorgegeben. Die Orientierung (H) dieses Bezugspunkts (K1) kann auf beliebige Weise festgelegt sein. Sie kann teilweise oder vollständig in dem Bewegungsplan hinterlegt sein. Alternativ kann sie durch eine Manipulatorsteuerung (48) in geeigneter Weise während des Betriebs berechnet und vorgegeben werden. Sie kann ferner in einer beliebigen Repräsentation vorgegeben sein, beispielsweise über drei Raumwinkel (k, l, m) oder durch andere geeignete Koordinaten. Relevante Bezugspunkte (POI), für die eine Bewegungsplanung und/oder eine Überwachung erfolgen können, sind neben den vorgenannten Punkten: Gelenkmittelpunkte, Punkten auf der Roboteraußenhaut, Flanschpunkte sowie Werkzeugpunkte. Je nach Ausbildung von Manipulator (10) und Bestückung (36) sowie der durchzuführenden Tätigkeit können auch andere Punkte relevant sein.
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Um eine möglichst hohe Effizienz der Kollaborationstätigkeit zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die Bewegungen des Manipulators (10) und/oder der Manipulatorbestückung (36) mit hoher Geschwindigkeit und auf möglichst kurzen Wegen stattfinden. Andererseits soll das Verletzungsrisiko für den Menschen (28) minimiert werden.
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Durch das offenbarungsgemäße Planungsverfahren kann auf übersichtliche und schnelle Weise eine Bewegung des Manipulators (10) geplant und optimiert sowie schließlich für die tatsächliche Tätigkeit vorgegeben werden. Die Prozessgeschwindigkeiten können bei der Ersterfassung des Bewegungsplans teilweise oder vollständig als vordefinierte Prozessgeschwindigkeiten festgelegt sein. Dies kann insbesondere in Abschnitten sinnvoll sein, in denen eine Interaktion des Manipulators mit anderen Objekten erfolgen soll, beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel, bei der Aufnahme eines Werkstücks oder bei einem Montagevorgang.
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Die Prozessgeschwindigkeiten können auch automatisiert vorgegeben oder optimiert werden. Durch das Planungsverfahren werden dann für die jeweiligen Abschnitte des Bewegungsplans die zulässigen Prozessgeschwindigkeiten ermittelt und direkt zugewiesen. Bei einer teilautomatisierten Zuweisung können die geplanten Prozessgeschwindigkeiten mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten verglichen werden. In einem Geschwindigkeitsprofil werden auf Basis dieses Vergleichs Vorschläge für Veränderungen angezeigt, die von einem Planer übernommen und/oder manuell angepasst werden können.
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In dem Layout (32) werden bevorzugt eine oder mehrere MRK-Zonen (MRK1-MRK4) gekennzeichnet. Die Kennzeichnung kann manuell, teilautomatisiert oder voll automatisiert erfolgen. In 1 sind zwei Teile des Kollaborationsbereichs (50), in denen die Anwesenheit eines Menschen (28) vorgesehen oder möglich ist und in denen eine Kollision auch mit empfindlichen Körperteilen, wie beispielsweise dem Kehlkopf oder den Augen möglich wäre, mit MRK1 gekennzeichnet. Diese Zonen sind mit einem hohen Risiko (R1) bewertet. Ein zweiter Teilbereich, der sich über einer Tischoberfläche und in direkter Zugriffsreichweite des Menschen (28) befindet, ist mit MRK2 bezeichnet. In dieser Zone ist bei bestimmungsgemäßem Verhalten des Menschen (28) mit einer Kollision des Manipulators (28) mit Händen oder Armen des Menschen (28) zu rechnen. Dieser Zone ist beispielsweise einer Risikoklasse (R2) zugeordnet. Eine dritte Zone befindet sich weiter im Tischinneren und wird durch den Menschen (28) im vorgesehenen Verlauf der MRK-Tätigkeit nicht erreicht. Ihr ist beispielsweise die Risikoklasse (R3) zugeordnet. Eine vierte Zone überdeckt ein neben dem Manipulator (10) angeordnetes Werkzeugmagazin, in das auf Grund von Sicherheitsvorrichtungen ausschließlich der Manipulator (10) eingreifen kann. Dieser Zone (MRK4) ist beispielsweise die Risikoklasse (R4) zugeordnet.
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Die Erfassung des Layouts (32) und die Zuweisung von MRK-Zonen sowie ggfs. die Bewertung mit Risikoklassen (R1–R4) erfolgt bevorzugt über eine Eingabemaske an einem Planungssystem.
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Alternativ oder zusätzlich können andere Formen der Zonenvorgabe und/oder Zonenunterteilung bzw. zu deren Benennung genutzt werden. In dem Layout können auch die sog. „freie Zonen“ gekennzeichnet werden (siehe 4), die vom Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung nicht erreicht werden können oder deren Erreichbarkeit für den Manipulator mittels technischer Maßnahmen ausgeschlossen ist. In solchen freien Zonen besteht grundsätzlich keine Gefährdung des Menschen aus der Manipulatortätigkeit.
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Eine reine „MRK-Zone“ kann eine solche Zone sein, die einen gemeinsamen Arbeitsraum von Manipulator und Mensch definiert. In einer solchen MRK-Zone sieht die bestimmungsgemäße Tätigkeit des Manipulators auch einen Kontaktmöglichkeit mit dem Menschen vor. Die für solche MRK-Zonen zulässige Beeinträchtigung kann bspw. geringe Schmerzen jedoch ohne Verletzungen umfassen, jedoch alle stärkeren Beeinträchtigungen ausschließen. In 4 sind die Zonen (MRK1 und MRK2) reine MRK-Zonen.
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Eine sog. „Prozess-Zone“ kann ein Arbeitsraum sein, dessen Erreichbarkeit vornehmlich für den Manipulator vorgesehen ist, wobei jedoch die Erreichbarkeit für den Menschen grundsätzlich möglich ist. In einer Prozess-Zone sind bestimmungsgemäß kein Zusammenwirken und kein Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Eine zulässige Beeinträchtigung in der Prozess-Zone kann Verletzungen des Menschen ausschließen, jedoch alle geringeren Beeinträchtigungen zulassen. In 4 ist die Zone (MRK3) eine solche Prozesszone.
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Eine sog. „Risiko-Zone“ kann ein Arbeitsraum sein, der allein dem Manipulator vorbehalten ist. In einer Risiko-Zone sind ebenfalls kein Zusammenwirken und kein Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Zusätzliche Absicherungen sollten den Zugriff eines Menschen in eine Risiko-Zone ausschließen. Eine Risiko-Zone kann von der MRK-Planung und/oder der MRK-Überwachung ausgeschlossen sein. Die Prozessgeschwindigkeiten können so gewählt sein, dass im Fall von Kollisionen auch mit Verletzungen zu rechnen wäre. In 4 entspricht die Zone (MRK4) einer Risiko-Zone.
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In 5 ist ein Planungssystem (44) beispielhaft dargestellt. Es weist eine graphische Eingabemaske (42, GUI) auf, die unterschiedliche Zustände annehmen kann. In der linken Ansicht der Eingabemaske (42) ist beispielhaft eine Draufsicht auf das Layout (32) dargestellt. In der rechten Ansicht ist ein Geschwindigkeitsprofil in Form einer Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik (v-t-Dia.) gezeigt. In einer solchen Charakteristik werden über den Zeitablauf einer geplanten Manipulatortätigkeit die momentanen geplanten Geschwindigkeiten (v_pl) mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul) verglichen. Solche Abschnitte des Bewegungsplans, in denen die geplante Geschwindigkeit (v_pl) die zulässige Geschwindigkeit (v_zul) überschreitet, können in dem Verfahren automatisch ermittelt und angezeigt werden, sodass ein Planer auf eventuell notwendige Änderungen hingewiesen wird oder eine Freigabe für eine teilautomatisierte Optimierung erteilen kann.
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Das Planungssystem (44) umfasst ferner eine Recheneinheit (40), eine geordnete Datenstruktur (34), insbesondere in Form einer Datenbank oder einer Datei, sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul (38). Die Recheneinheit (40) kann ein üblicher Computer sein bzw. eine darauf ausgeführte Software. Die geordnete Datenstruktur (34) kann auf einem beliebigen Datenträger abgelegt sein.
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Im rechten unteren Bereich der 5 ist ein Auszug aus einem Bewertungsmodul (38) beispielhaft dargestellt. Der Auszug enthält für verschiedene Manipulatorbestückungen (Tools) jeweils vordefinierte Angaben über eine Teilmasse (m1, m2), einen Radius der relevanten Grenzgeometrie sowie eine Matrix von zulässigen Geschwindigkeiten, hier für die Kollisionsarten Quetschen (Vmax_Q) und Stoßen (Vmax_Stoß). Die Geschwindigkeiten können bereits anhand der vorgenannten Angaben vorausgewählt sein. Die zulässigen Geschwindigkeiten sind dann in Abhängigkeit von möglicherweise betroffenen Körperteilen schnell abrufbar. Die dargestellten Geschwindigkeitswerte V1 bis V6 betreffen Basiswerte für den Fall, dass keine bestimmte Körperregion betroffen ist. V7 bis V12 betreffen Kollisionen mit dem Rumpf. V13 bis V18 betreffen den Kopf, V19 bis V24 den Arm, V25 bis V30 die Hand und V31 bis V36 einen Finger. Aus einer solchen Matrix kann die für den jeweils betrachteten Bezugspunkt (POI, TCP) und die vorliegende Zone (MRK1–MRK4) jeweils die zulässige Prozessgeschwindigkeit ermittelt werden.
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Der gezeigte Auszug ist für die Überwachung einer bereits geplanten Manipulatortätigkeit optimiert.
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Das Planungssystem (44) kann eine anthropologische Datenbasis (46), beispielsweise in der Form einer Datenbank, aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein. Diese kann obere und untere Grenzwerte für Körpermaße beinhalten sowie für Mindest- und Maximalabstände zum Quetschen von Körperteilen. 7 zeigt beispielhaft einen Auszug aus einer anthropologischen Datenbasis, in der für unterschiedliche Körperteile und in Abhängigkeit eines freien Abstandes zwischen zwei kollisionsgefährdenden Konturen die möglichen Beeinträchtigungsformen Quetschen und Stoßen unterschieden sind.
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Ein oder mehrere Manipulatoren (10) mit einer oder mehreren Manipulatorsteuerungen (48) können Bestandteil des Planungssystems (44) bzw. eines Überwachungssystems sein. Alternativ kann das Planungssystem (44) bzw. ein Überwachungssystem zu solchen Manipulatoren (10) oder Manipulatorsteuerungen (48) verbunden sein. Ein festgelegter Bewegungsplan mit einem auf Basis der ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul) festgelegten Geschwindigkeitsprofil kann in die Steuerung (48) eines Manipulators (10) übertragen werden. Die Übertragung kann auf beliebige Weise geschehen, beispielsweise über eine Online-Anbindung oder über einen transportablen Datenträger.
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Durch das Planungsverfahren kann eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eines Bewegungsplans ausgeführt werden. Die Optimierung kann dabei für den Bewegungsplan eines Hauptbezugspunkts (K1) oder für mehrere Bezugspunkte (K1, K2, K3) des Manipulators (10) und/oder einer Manipulatorbestückung (36) ausgeführt werden.
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Besonders bevorzugt werden zulässige Geschwindigkeiten für den Bewegungsplan eines Bezugspunkts (K1) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (G1) ermittelt. Auf Basis dieser Daten kann dann eine Optimierung des Bewegungsplans, insbesondere der zugewiesenen Geschwindigkeiten sowie ggf. der Trajektorie und/oder der vorgesehenen Orientierungen ausgeführt werden.
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Eine Optimierung kann dahingehend erfolgen, dass eine Veränderung des Geschwindigkeitsprofils für bestimmte Abschnitte oder den gesamten Bewegungsplan vorgeschlagen oder direkt zugewiesen werden. Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eignet sich insbesondere für reine Verfahrwege des Manipulators, d.h. solche Abschnitte des Bewegungsplans, in denen kein Kontakt des Manipulators (10) oder der Manipulatorbestückung (36) mit anderen Objekten oder einem Menschen (28) für eine konkrete Kollaborationstätigkeit vorgesehen ist. Solche Verfahrwege können innerhalb eines Bewegungsplans manuell gekennzeichnet oder automatisch erfasst werden.
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Innerhalb der Verfahrwege können beispielsweise Abschnitte mit einem erhöhten Gefährdungspotential, d.h. mit einer Verletzungen begünstigenden Bewegung identifiziert werden. Insbesondere können solche Abschnitte erfasst und gekennzeichnet werden, in denen eine geplante Orientierung (H) eines Bezugspunkts (K1) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (G1) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert zur momentanen Bewegungsrichtung (I) dieses Bezugspunktes (K1) steht. Eine solche Situation ist in 2 dargestellt. Dort ist beispielhaft eine Manipulatorbestückung (36) in Form Werkzeugs dargestellt, das auf der einen Seite (Bezugspunkt K1) eine spitze Grenzgeometrie (G1) und auf der Gegenseite (Bezugspunkt K2) eine stumpfe Grenzgeometrie (G2) aufweist. Der Manipulatorbestückung (36) sowie dem Manipulator (10) können unterschiedliche Teilmassen (m1, m2) zugeordnet sein. Der Bezugspunkt für die gemäß dem Bewegungsplan vorgesehene Bewegungsbahn (Path) ist das spitze Ende (K1). Die in 2 dargestellte Situation entspricht einem Teil des Bewegungsplans im ersten Abschnitt (Sec1) gemäß 4.
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Das spitze oder kantige Ende (K1) der Manipulatorbestückung (36) verursacht bei gleicher Geschwindigkeit (und gleicher im Zusammenstoß wirksamer Masse) ein höheres Verletzungsrisiko als die gegenüberliegende stumpfe Seite (K2). Dementsprechend werden für den Bewegungsplan in der in 2 dargestellten Form vergleichsweise geringe zulässige Geschwindigkeiten (v_zul) ermittelt.
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Die Manipulatorbestückung könnte bei derselben zulässigen Beeinträchtigung mit höherer Geschwindigkeit bewegt werden, wenn das stumpfe Ende (K2) vorauseilen würde. Dieser Umstand kann Grundlage für eine Optimierung sein. D.h. allgemein ist eine Optimierung erreichbar, wenn ein Bewegungsplan so abgeändert wird, dass eine weniger gefährliche Grenzgeometrie in der Bewegung vorauseilt. Denn dann sind höhere zulässige Geschwindigkeiten zu erwarten.
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Eine Optimierung des Bewegungsplans kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in den wie oben dargestellt gekennzeichneten Abschnitten der Verfahrwege die geplante Orientierung (H) und/oder die geplante momentane Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (K1) so angepasst werden, dass sich die Orientierung (H) in Richtung zu einem stumpfen Winkel, insbesondere einer gegensinnigen Orientierung gegenüber der Bewegungsrichtung (I) verändert. Hierdurch wird eine potenziell gefährliche Grenzgeometrie (G1) von der vorauseilenden Seite der Bewegung weggedreht. Eine entsprechend geänderte Situation ist zum Vergleich in 3 dargestellt.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Optimierung dadurch erfolgen, dass an einer Manipulatorbestückung (36) ein Bezugspunkt (K2) mit einer erwartungsgemäß weniger gefährlichen Grenzgeometrie (G2) ermittelt wird. Der Bewegungsplan für die Manipulatorbestückung (36) kann dann innerhalb eines Verfahrweges so angepasst werden, dass die Orientierung (H) dieser ungefährlichen Grenzgeometrie (G2) des Bezugspunktes (K2) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert, zur momentanen Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (K2) steht. D.h. eine erwartungsgemäß ungefährliche Grenzgeometrie (G2) wird zur vorauseilenden Seite der Bewegung verdreht. Daneben können beliebige andere Optimierungsverfahren eingesetzt werden.
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Die vorgenannten Optimierungen können auch in einem Überwachungsverfahren genutzt werden, bspw. während er Rückführung eines Bezugspunktes zu einer vorgesehen Position. Mit anderen Worten kann, wenn die Bewegung eines Manipulators bzw. eines relevanten Bezugspunkts (POI) von dem vorgesehenen Bewegungsplan abweicht und eine Rückführung zu einer nach dem Bewegungsplan vorgesehenen Position erfolgen soll, der Bewegungsablauf während der Rückführung gemäß den vorgenannten Schritten optimiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Rückführung mit einem möglichst geringen Verletzungsrisiko erfolgt und gleichzeitig eine hohe Effizienz der Bewegung erreicht wird.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass auf Basis eines festgelegten Bewegungsplans und der jeweils geplanten Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) eine Vorgangsdauer (T) für die durchzuführende Tätigkeit des Manipulators (10) berechnet wird (vgl. Geschwindigkeitsprofil gem. 5). Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung des Bewegungsplans kann bevorzugt dann ausgeführt werden, wenn die berechnete Vorgangsdauer (T) eine gewünschte Taktzeit überschreitet. Die gewünschte Taktzeit kann beispielsweise als Sollvorgabe vorliegen und zu Beginn einer Tätigkeitsplanung erfasst werden. Entsprechend kann die Durchführung einer Optimierung ebenfalls automatisch gestaltet werden.
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Ein Überwachungsverfahren kann grundsätzliche alle Merkmale des hier offenbarten Planungsverfahrens aufweisen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass während der Manipulatortätigkeit ständig oder zwischenzeitlich eine Überwachungsanzeige ausgegeben wird. Eine solche Anzeige kann einen Werker in der Wahrnehmung des momentanen Verletzungsrisikos unterstützen sowie auf eventuelle Abweichungen gegenüber dem geplanten Tätigkeitsablauf aufmerksam machen. In dem Überwachungsverfahren kann bevorzugt eine ständige Überwachung von mehreren relevanten Bezugspunkten erfolgen. Die Prozessgeschwindigkeiten dieser Bezugspunkte können in einem gemeinsamen Diagramm dargestellt werden. Hierfür eignet sich beispielsweise eine Oszilloskop-Diagramm gemäß 7. Hier sind beispielhaft die Prozessgeschwindigkeiten (v_TCP) eines Tool Center Points sowie (v_POI) eines weiteren Bezugspunkts dargestellt. Die dargestellten Geschwindigkeiten können mit einer Angabe über die momentan betroffene Arbeitszone (Zone1–Zone3 / MRK1-MRK4) hinterlegt sein. Derartige Diagramme können auch zu Nachweisgründen abgespeichert werden, um die Einhaltung der Betriebssicherheit zu belegen.
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Abwandlungen und Änderungen der Erfindung sind in vielerlei Hinsicht möglich. Insbesondere können die zu den Ausführungsbeispielen gezeigten oder beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, untereinander vertauscht, ergänzt oder weggelassen werden.
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Anstelle des in 1 gezeigten Leichtbauroboters kann ein anderer Manipulator (10) verwendet werden, beispielsweise ein Industrieroboter. Die Zahl der Achsen und Glieder kann ebenfalls unterschiedliche sein. Der Manipulator (10) kann eine oder mehrere zusätzliche Verfahrachsen haben. Er kann alternativ oder zusätzlich auf einem frei beweglichen Korpus angeordnet sein. Entsprechend kann ein Kollaborationsbereich (50) während der Dauer einer Kollaborationstätigkeit veränderlich sein und die Kennzeichnung von MRK-Zonen sowie eine Risikobewertung können entsprechend zeitvariabel sein.
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Durch das Verfahren können Prüfungen eines Bewegungsplans und eines zugehörigen Geschwindigkeitsprofils für bestimmte Zustände mit unterschiedlich festgelegten zulässigen Beeinträchtigungen erfolgen. Ein erster Zustand kann eine bestimmungsgemäße Tätigkeit betreffen, in der Mensch (28) und Manipulator (10) die vorgesehenen Bewegungen ausführen und eine Kontaktierung zwischen Mensch (28) und Manipulator (10) nur zu den erwünschten Zeitpunkten und an den geplanten Stellen auftritt. Für einen solchen Zustand können nur sehr geringe Beeinträchtigungen des Menschen als zulässig erfasst werden. Ein zweiter Zustand kann leichte Änderungen gegenüber der bestimmungsgemäßen Tätigkeit abdecken, die durch versehentliche Verhaltensänderungen des Menschen (28) hervorgerufen werden. In einem solchen Zustand können etwas stärkere Beeinträchtigungen zulässig sein, bei denen jedoch keine gravierenden Verletzungen entstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Manipulator / Roboter / Leichtbauroboter (LBR)
- 12
- Flansch
- 14
- Flanschachse
- 16
- Manipulatorhand / erstes Glied
- 17
- Zweites Glied
- 18
- Drittes Glied
- 20
- Viertes Glied
- 22
- Fünftes Glied
- 24
- Sechstes Glied
- 26
- Fuß / Basis / Siebtes Glied
- 28
- Mensch / Werker
- 30
- Computersystem
- 32
- Layout eines Arbeitsbereichs
- 34
- Geordnete Datenstruktur
- 36
- Manipulatorbestückung / Werkzeug u/o Werkstück
- 38
- Automat. Bewertungsmodul / Bewertungsdatenbank
- 40
- Recheneinheit / Computer
- 42
- Eingabemaske (GUI)
- 44
- Planungssystem
- 46
- Anthropologiedatenbank
- 48
- Manipulatorsteuerung
- 50
- Kollaborationsbereich
- I
- Erste Manipulator-Bewegungsachse
- II
- Zweite Bewegungsachse
- III
- Dritte Bewegungsachse
- IV
- Vierte Bewegungsachse
- V
- Fünfte Bewegungsachse
- VI
- Sechste Bewegungsachse
- VII
- Siebte Bewegungsachse
- G1
- Erste Grenzgeometrie (Kante)
- G2
- Zweite Grenzgeometrie (Rundung)
- H
- Orientierung eines Bezugspunktes / einer Grenzgeometrie
- I
- Momentane Bewegungsrichtung eines Bezugspunktes / einer Grenzgeometrie
- K1
- Erster Bezugspunkt / möglicher Kollisionspunkt
- K2
- Zweiter Bezugspunkt
- K3
- Dritter Bezugspunkt
- K4
- Potenzielle Quetschkante
- MRK1
- Kollaborationszone 1 / MRK-Zone
- MRK2
- Kollaborationszone 2 / MRK-Zone
- MRK3
- Kollaborationszone 3 / Prozess-Zone
- MRK4
- Kollaborationszone 4 / Risikozone
- R1
- Erste Risikoklasse
- R2
- Zweite Risikoklasse
- R3
- Dritte Risikoklasse
- R4
- Vierte Risikoklasse
- Sec1
- Abschnitt in Bewegungsplan
- Sec2
- Abschnitt in Bewegungsplan
- Sec_Alert
- Abschnitt der Bewegungsbahn mit Überschreitung von v_zul
- Path
- Bewegungsplan
- X, Y, Z
- Raumkoordinaten / Positionskoordinaten
- k, l, m
- Raumwinkel / Raumorientierungskoordinaten
- v_pl
- Vordefinierte Prozessgeschwindigkeit
- v_zul
- Ermittelte zulässige Prozessgeschwindigkeit
- v-t-Dia
- . Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik
- T
- Vorgangsdauer
- v_TCP
- Tatsächliche Geschw. Tool Center Point
- v_POI
- Tatsächliche Geschw. eines POI
