DE102016200455A1 - Safety device and method for safe operation of a robot - Google Patents
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Abstract
Durch die vorliegende Erfindung werden eine Sicherheitsvorrichtung und ein Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters bereitgestellt. Wenn ein Abstand zwischen dem Roboter und einem potenziellen Kollisionsobjekt kleiner als ein berechneter Bremsweg des Roboters ist und wenn ein berechnetes potenzielles Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist, wird der Roboter stillgesetzt und wenigstens ein im Roboter eingebauter Airbag ausgelöst. Somit wird die Sicherheit des im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Objektes selbst im Kollisionsfall gewährleistet, wodurch eine enge Zusammenarbeit mit dem Roboter, insbesondere eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation (MRK), ermöglicht wird.The present invention provides a safety device and method for safely operating a robotic controlled robot in a work area. If a distance between the robot and a potential collision object is less than a calculated braking distance of the robot and if a calculated potential extent of damage is greater than a predetermined damage limit, the robot is shut down and at least one airbag installed in the robot is triggered. Thus, the security of the object located in the robot work area is ensured even in the event of a collision, whereby a close cooperation with the robot, in particular a direct human-robot cooperation (MRK), is made possible.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters sowie ein entsprechendes Sicherheitsverfahren. Ferner betrifft die Erfindung einen industriellen Roboter, mit dem eine derartige Sicherheitsvorrichtung bzw. ein derartiges Sicherheitsverfahren realisiert werden kann. The invention relates to a safety device for safe operation of a controlled controlled in a work area robot and a corresponding safety method. Furthermore, the invention relates to an industrial robot, with which such a safety device or such a safety method can be realized.
In der Robotertechnik besteht ein zunehmender Bedarf, dass Menschen (ohne trennende Wände oder Schutzzäune) Hand in Hand mit Robotern zusammenarbeiten. Eine solche direkte "Mensch-Roboter-Kooperation" (MRK) verspricht der Wirtschaft neue Perspektiven hinsichtlich Automation und zudem flexiblere Fertigungsmöglichkeiten. Vor allem lässt sich dadurch der Automationsgrad je nach Aufgabenstellung variabel gestalten. In robotics, there is an increasing need for people (without dividing walls or protective fences) to work hand in hand with robots. Such a direct "human-robot cooperation" (MRK) promises the economy new perspectives with regard to automation as well as more flexible production possibilities. Above all, the degree of automation can be made variable depending on the task.
Um eine direkte MRK gefahrlos zu ermöglichen, sind Aspekte zu berücksichtigen, die bisher keine Rolle spielten, weil sie dank der rigorosen Trennung von Mensch und Roboter ausgeschlossen waren. So gehen von sich schnell bewegenden Industrierobotern aufgrund der Massen von Roboter, Greifer, Werkzeug und Werkstück erhebliche Gefahren für Leib und Leben der in den Arbeitsbereich der Roboter tretenden Personen aus. Das Ausmaß des möglichen Schadens für betroffene Personen erstreckt sich von leichten, üblicherweise reversiblen Verletzungen, wie z. B. Schnittverletzungen und Prellungen, über mittlere, üblicherweise irreversible Verletzungen, wie z. B. Amputationen, bis hin zu schweren bzw. tödlichen Verletzungen. In order to enable a direct MRC without risk, aspects that were previously irrelevant, because they were excluded thanks to the rigorous separation of humans and robots, have to be considered. Thus, due to the masses of robots, grippers, tools and workpieces, fast-moving industrial robots pose considerable risks to the life and limb of the persons entering the working area of the robots. The extent of potential harm to data subjects ranges from mild, usually reversible, injuries such as: B. cuts and bruises, over average, usually irreversible injuries, such. As amputations, up to serious or fatal injuries.
Die höchsten Sicherheitsanforderungen gelten, wenn Roboter und Mensch eng zusammenarbeiten, wie beim Montieren oder Schweißen, da der Mensch hierbei in der Regel ein eingeengtes Sichtfeld hat. Während der Roboter das Werkstück bewegt oder in die bestmögliche Position dreht, besteht zwischen der jeweiligen Person und verschiedenen Roboterelementen (wie bspw. dem Roboterarm oder dem vom Roboter geführten Werkstück) eine große räumliche Nähe. Dabei kann es zu einem direkten Kontakt zwischen dem Roboter und der Person kommen. The highest safety requirements apply when robot and human work closely together, as in mounting or welding, since humans usually have a restricted field of view. As the robot moves or rotates the workpiece to the best possible position, there is a large spatial proximity between the subject and various robot elements (such as the robot arm or the workpiece guided by the robot). This can lead to a direct contact between the robot and the person.
Bei einer Mensch-Roboter-Kollision entstehen die meisten Verletzungen dadurch, dass der Mensch gegen harte, scharfe und sich schnell bewegende Roboterteile stößt. Um derartige Verletzungen zu vermeiden, sind verschiedene Sicherheitssensoren zur sensorischen Überwachung des gesamten Arbeitsbereiches des Roboters entwickelt worden. Werden potenzielle Kollisionsobjekte im Arbeitsbereich erkannt, kann zur Kollisionsvermeidung bzw. Kollisionsfolgenminderung aktiv in die Kinematik des Roboters zur Begrenzung von Leistung und Kraft in Echtzeit eingegriffen werden. In a human-robot collision, most injuries are caused by the human being bumping into hard, sharp, and fast-moving robot parts. In order to avoid such injuries, various safety sensors have been developed for sensory monitoring of the entire working range of the robot. If potential collision objects are detected in the work area, the collision avoidance or collision reduction can be actively intervened in the kinematics of the robot to limit the power and force in real time.
Solche Sicherheitssensoren arbeiten jedoch nicht immer zuverlässig und sind demnach nicht in der Lage, die Gefahr von Mensch-Roboter-Kollisionen völlig auszuschließen. Bei bekannten Sicherheitskonzepten für den kollaborierenden Betrieb werden Sicherheitssensoren nämlich nur dafür eingesetzt, um das potenzielle Kollisionsobjekt im Roboter-Arbeitsbereich sowie den Roboter selbst zu erfassen und daraufhin die Roboterbahn und / oder -geschwindigkeit an das potenzielle Kollisionsobjekt zur Kollisionsvermeidung anzupassen. Solche bekannten Sicherheitskonzepte funktionieren aber nur dann einwandfrei, wenn z. B. eine jeweilige Bedienperson mit einem sehr kleinen und leistungsschwachen Leichtbauroboter (wie einem mobilen Serviceroboter) zusammenarbeitet. Bei industriellen Robotern, die für den Einsatz im industriellen Umfeld (z. B. Automobilfertigung) entworfen sind, stoßen diese bekannten Sicherheitskonzepte jedoch schnell an ihre Grenzen. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass in Bezug auf industrielle Roboter die folgenden drei entscheidenden Einflussfaktoren für das Auftreten einer Kollision und das Schadensausmaß bei einer solchen Kollision bisher weitgehend unberücksichtigt gelassen werden: 1. Masse des Roboters; 2. Geschwindigkeit des Roboters; 3. Art (insbesondere Oberflächenform) der miteinander kollidierenden Roboterteile bzw. -werkzeuge (z. B. scharfe Roboterkante oder -ecke) und Objektteile (z. B. menschlicher Kopf). However, such safety sensors do not always work reliably and are therefore not able to completely eliminate the risk of human-robot collisions. Namely, in known safety concepts for collaborative operation, safety sensors are only used to detect the potential collision object in the robotic work area as well as the robot itself and then adapt the robot path and / or speed to the potential collision object for collision avoidance. However, such known security concepts only work properly if z. B. a respective operator with a very small and low-power lightweight robot (such as a mobile service robot) works together. However, in industrial robots that are designed for use in industrial environments (eg automobile manufacturing), these known safety concepts quickly reach their limits. The main reason for this is that, with regard to industrial robots, the following three decisive influencing factors for the occurrence of a collision and the extent of damage in such a collision have hitherto largely been disregarded: 1. mass of the robot; 2. speed of the robot; 3. Type (in particular surface shape) of the colliding robot parts or tools (eg sharp robot edge or corner) and object parts (eg human head).
Im
Zwar ist im Kraftfahrzeugbereich der serienmäßige Einsatz von Airbags als Rückhaltevorrichtungen bei Unfällen, um Verletzungen im Bereich des Oberkörpers bzw. Kopfes der Fahrzeuginsassen stark zu reduzieren, schon lange bekannt (vgl. z. B.
Ein Kraftfahrzeug-Airbag wird erst mit zeitlicher Verzögerung ab einer gewissen Belastung aufgeblasen. Da der Zusammenstoß zwischen den Insassen und Teilen des Fahrzeuginnenraumes, z. B. Lenkrad, erst einige Millisekunden nach dem Unfallaufprall erfolgt, ist eine solche verzögerte Airbag-Auslösung für eine optimale Schutzwirkung und die Vermeidung von durch das Aufblasen des Airbags entstehende Verletzungen vorteilhaft und daher erwünscht. Das Airbag-Steuergerät wird den Gasgenerator des Airbags dabei erst rund 30 Millisekunden vor dem Zusammenstoß mit dem vorschnellenden Körperteil des Insassen zünden, sodass sich der Airbag vollständig aufbläst und somit den jeweiligen Körperteil abfängt. Das vorbeschriebene Aktivierungskonzept für Fahrzeug-Airbags ist jedoch bei MRK-Applikationen, wo die jeweilige Person im Kollisionsfall unmittelbar durch den Roboter getroffen wird, nicht geeignet, um das Schadensausmaß einer Mensch-Roboter-Kollision zu vermindern. Darüber hinaus weist – im Gegensatz zu den glatten Oberflächen des Fahrzeuginnenraumes (insbesondere des Lenkrades) – der Roboter eine Vielzahl äußerst kollisionsgefährlicher Elemente (z. B. Roboterarme mit Spitzen, scharfen Kanten und Scherkanten) auf. A motor vehicle airbag is inflated with a time delay from a certain load. Since the collision between the occupants and parts of the vehicle interior, z. B. steering wheel, takes place only a few milliseconds after the crash accident, such a delayed airbag deployment for optimum protection and avoidance of resulting from the inflation of the airbag injuries is advantageous and therefore desirable. The airbag control unit will ignite the gas generator of the airbag only about 30 milliseconds before the collision with the accelerating body part of the occupant, so that the airbag inflates completely and thus intercepts the respective body part. However, the above-described activation concept for vehicle airbags is not suitable for reducing the extent of damage of a human-robot collision in MRK applications where the respective person is directly hit by the robot in the event of a collision. In addition, in contrast to the smooth surfaces of the vehicle interior (in particular the steering wheel), the robot has a large number of extremely collision-hazardous elements (eg robot arms with points, sharp edges and shearing edges).
Schließlich dienen Airbags in Kraftfahrzeugen nur dazu, bestimmte Oberflächen des Fahrzeuginnenraumes, wie z. B. Windschutzscheibe, Armaturenbrett oder Lenkrad, im Kollisionsfall abzudecken. Dabei wird angenommen, dass der Zusammenstoß mit dem Körperteil des Fahrzeuginsassen nur in einer Richtung erfolgt, da der Körperteil durch die bei einem frontalen Unfallaufprall auf den Insassen wirkende Trägheitskraft nach vorne geschleudert wird. Folglich besteht die Hauptfunktion eines Kraftfahrzeug-Airbags darin, diese den Insassen bei einem Unfall nach vorne beschleunigende Trägheitskraft so weit wie möglich zu absorbieren und somit den jeweiligen Körperteil vor Kollisionsschäden zu schützen. Im Gegensatz hierzu stellt ein industrieller Roboter ein volldynamisches System mit sehr großen Arbeitsflächen in allen drei Raumrichtungen dar. Ein industrieller Roboter erlaubt dabei mühelos die gesteuerte Bewegung einer Traglast von bis zu 200 kg in einem Arbeitsradius von bis zu 3 m. Eine im Roboter-Arbeitsbereich befindliche Person oder sonstiges Objekt kann daher im Kollisionsfall aus beliebiger Richtung von beliebigen Roboterteilen (ungünstigstenfalls von scharfen Ecken und Spitzen an den Roboterarmen oder -werkzeugen) getroffen werden. Finally, serve airbags in motor vehicles only to certain surfaces of the vehicle interior, such. As windshield, dashboard or steering wheel to cover in case of collision. It is assumed that the collision with the body part of the vehicle occupant takes place only in one direction, since the body part is thrown forward by the force of inertia acting on the occupants in the event of a frontal crash impact. Consequently, the main function of a motor vehicle airbag is to absorb as much as possible the inertial force that accelerates the occupants in the event of an accident, and thus to protect the respective body part from collision damage. In contrast, an industrial robot represents a fully dynamic system with very large work surfaces in all three spatial directions. An industrial robot allows effortlessly the controlled movement of a load of up to 200 kg in a working radius of up to 3 m. In the event of a collision, a person or other object located in the robot work area can therefore be struck from any direction by any part of the robot (at worst, by sharp corners and points on the robot arms or tools).
Zusammenfassend ist festzustellen, dass aus dem Kraftfahrzeugbereich bekannte Insassenschutzsysteme bedingt durch den speziellen Entwurf und die spezielle Aktivierungsmethode von Kraftfahrzeug-Airbags nicht ohne weiteres auf MRK-Applikationen übertragbar sind. In summary, it should be noted that due to the special design and the special activation method of motor vehicle airbags known from the motor vehicle field occupant protection systems are not readily transferable to MRK applications.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die vorgenannten Nachteile und Begrenzungen des Standes der Technik zu überwinden und eine Sicherheitsvorrichtung sowie ein Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters bereitzustellen, die in Zukunft die enge Zusammenarbeit mit einem solchen Roboter ermöglichen und die Sicherheit eines im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Objektes (insbesondere einer Person) selbst im Kollisionsfall gewährleisten sollen. The invention has the object to overcome the aforementioned disadvantages and limitations of the prior art and to provide a safety device and a safety method for the safe operation of controlled in a working area movable robot that allow in the future, the close cooperation with such a robot and to ensure the safety of an object (in particular a person) located in the robot work area, even in the event of a collision.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sicherheitsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Sicherheitsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. This object is achieved by a safety device having the features of
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden industriellen Roboter zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, die hohen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in MRK-Systemen zu erfüllen. It is a further object of the invention to provide a corresponding industrial robot capable of meeting the high safety requirements for use in MRI systems.
Diese Aufgabe wird durch einen industriellen Roboter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. This object is achieved by an industrial robot having the features of
Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters ein Positionserfassungsmittel zum Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes relativ zum Roboter, ein Bremswegberechnungsmittel zum Berechnen des Bremsweges des Roboters bei seinem aktuellen Bewegungszustand, ein Schadensausmaßberechnungsmittel zum Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters eintretenden Kollision zwischen Roboter und Objekt, ein Stillsetzmittel zum Stillsetzen des Roboters, ein Auslösemittel zum Auslösen wenigstens eines im Roboter eingebauten Airbags und ein Steuermittel, das ausgelegt ist, das Stillsetzmittel und das Auslösemittel zu aktivieren, wenn ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand zwischen Roboter und Objekt kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters ist und das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist. Specifically, the safety device according to the present invention for safely operating a robot controllably movable in a work area comprises position detecting means for detecting the current position of at least one working area relative to the robot, braking distance calculating means for calculating the braking distance of the robot at its current moving state, a damage amount calculating means for calculating the amount of damage in the event of a robot-object collision occurring with the robot moving unchanged, stopping means for stopping the robot, triggering means for triggering at least one airbag installed in the robot, and control means arranged to activate the stopping means and the triggering means; if a distance between the robot and the object derived from the detected relative position is smaller than the calculated braking distance of the robot and the calculated amount of damage is greater it is considered a predetermined damage limit.
Parallel zur sensorischen Erfassung der relativen Position zwischen dem im Arbeitsbereich befindlichen potenziellen Kollisionsobjekt und dem Roboter werden somit von der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung jederzeit die folgenden zwei Faktoren berechnet und bei der Beurteilung der Kollisionsgefahr berücksichtigt: 1. Bremsweg des Roboters; 2. Schadensausmaß bei einer potenziellen Kollision. In parallel with the sensory detection of the relative position between the potential collision object located in the working area and the robot, the following two factors are thus calculated by the safety device according to the invention at all times and considered in the assessment of the risk of collision: 1. Braking distance of the robot; 2. The extent of damage in a potential collision.
Der Bremsweg des Roboters, d. h. die Wegstrecke, innerhalb derer der Roboter bei einer sofortigen Bremsung zum Stillstand kommen würde, hängt in erster Linie von der zu dissipierenden kinetischen Energie des Roboters ab, die ihrerseits von dessen Geschwindigkeiten, Massen und Trägheitsmomenten abhängt, welche wiederum je nach bewegter Traglast variieren können. Dementsprechend kann der Bremsweg online während des Betriebes auf Basis eines Modells, welches die Dynamik des Robotors, insbesondere in Abhängigkeit von seiner Geschwindigkeit und Traglastmasse, beschreibt, bestimmt werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten (über 2 m/s) und der hohen bewegten Traglastmassen (bis zu 200 kg) können bei industriellen Robotern situationsbedingt gefährlich lange Bremswege vorliegen, die nicht unberücksichtigt gelassen werden dürfen. Der Bremsweg ist Teil des Kollisions-Gefahrenbereiches und bildet daher den Mindestabstand, der jederzeit zwischen dem potenziellen Kollisionsobjekt und dem Roboter einzuhalten ist. Unterschreitet der tatsächliche Abstand diesen Mindestabstand so müssen meist sofort entsprechende Notfallmaßnahmen (Stillsetzen des Roboters und Auslösen des betreffenden Airbags) eingeleitet werden, um z. B. eine Kollision des Objektes gegen das harte Gehäuse eines Roboterarmes zu vermeiden. The braking distance of the robot, d. H. The distance within which the robot would come to a halt during immediate braking depends primarily on the kinetic energy of the robot to dissipate, which in turn depends on its speeds, masses and moments of inertia, which in turn can vary depending on the moving load. Accordingly, the braking distance can be determined online during operation on the basis of a model which describes the dynamics of the robot, in particular as a function of its speed and load mass. Due to the high speeds (over 2 m / s) and the high moving load masses (up to 200 kg), industrial robots can have dangerously long braking distances depending on the situation, which must not be left unconsidered. The braking distance is part of the collision danger area and therefore forms the minimum distance that must be maintained at all times between the potential collision object and the robot. If the actual distance falls below this minimum distance, appropriate emergency measures (stopping the robot and triggering the relevant airbag) must usually be initiated immediately, in order, for B. to avoid a collision of the object against the hard housing of a robot arm.
Allerdings macht es nicht jeder potenzielle Kontakt zwischen einem Roboter und einem in seinem Arbeitsbereich befindlichen Objekt erforderlich, dass etwaige Notfallmaßnahmen zur Kollisionsvermeidung ergriffen werden. Zusätzlich zur Unterschreitung des durch den Bremsweg festgelegten Mindestabstandes wird daher von der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung als zweites Kriterium zur Aktivierung solcher Notfallmaßnahmen gefordert, dass das bei einer potenziellen Kollision eintretende Schadensausmaß einen entsprechenden Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann z. B. ausgeschlossen werden, dass bereits bei kleinsten Berührungen, die weder beim jeweiligen Objekt noch beim Roboter zu relevanten Schäden führen, eine Notabschaltung zum schnellen Stillsetzen des Roboters herbeigeführt wird. Aufgrund der großen beteiligten Masse entstehen bei einer solchen Notabschaltung nämlich zwangsläufig große Kräfte, denen der Roboter nur in wirklichen Notsituationen ausgesetzt werden sollte. Angewandt auf eine Mensch-Roboter-Kollision bedeutet dies, dass Notfallmaßnahmen erst dann aktiviert werden, wenn die (bei unveränderter Roboterbewegung) auf den Menschen einwirkenden Kollisionskräfte zu Schmerzen und insbesondere zu Verletzungen führen würden. Aktuell liegen verschiedene Studien vor, in denen die zulässigen Grenzwerte für den Kontaktfall zwischen Mensch und Roboter ermittelt worden sind. Dabei muss eine Verletzung des Menschen sicher ausgeschlossen werden. Erste Erkenntnisse bezüglich der biomechanischen Grenzwerte für die Kontakte zwischen Mensch und Roboter sind z. B. im Rahmen der technischen Spezifikation
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung umfasst das Positionserfassungsmittel wenigstens ein 3D-Kamerasystem, deren Sichtbereich den Arbeitsbereich des Roboters ganz oder teilweise abdeckt. Eine solches Kamerasystem kann wiederum eine elektronische Bildverarbeitungseinrichtung umfassen, die mit zumindest einer Kamera zum Erfassen des Roboter-Arbeitsbereiches gekoppelt ist, um die relative Position des Objektes bezüglich des Roboters zu ermitteln und somit unter Berücksichtigung der beiden vorgeschilderten Faktoren (Bremsweg und potenzielles Schadensausmaß) die Kollisionsgefahr einzuschätzen. In a preferred embodiment of the safety device according to the invention, the position detection means comprises at least one 3D camera system whose viewing area completely or partially covers the working area of the robot. Such a camera system may in turn comprise an electronic image processing device, which is coupled to at least one camera for detecting the robot working area to determine the relative position of the object with respect to the robot and thus taking into account the two pre-figured factors (braking distance and potential extent of damage) Assess collision risk.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung umfasst das Positionserfassungsmittel am Roboter und / oder am Objekt befindliche Sensoren zur Erfassung der jeweils aktuellen Position des Roboters und / oder des Objektes. Der Abstand zwischen Objekt und Roboter wird somit permanent durch die Sensorik überwacht, um bei Unterschreiten des jeweils geforderten Mindestabstandes (aktueller Bremsweg) den Roboter (unter der weiteren Voraussetzung, dass beim Geschehen eines potenziellen Zusammenstoßes ein vorgegebener Schadensgrenzwert überschritten wird) stillzusetzen. In a further embodiment of the safety device according to the invention, the position detection means comprises sensors located on the robot and / or on the object for detecting the respective current position of the robot and / or the object. The distance between the object and the robot is thus permanently monitored by the sensor system in order to shut down the robot when it falls short of the respectively required minimum distance (current braking distance) (under the further condition that a predefined damage limit is exceeded in the event of a potential collision).
Weiter bevorzugt sind im Falle eines ein- oder mehrachsig ausgebildeten Roboters die Sensoren jeweils in den Achsgelenken des Roboters integriert. Bei komplexeren Robotern, wie bspw. sechsachsigen Industrierobotern, können somit mittels der Sensoren die Gelenkkoordinaten, insbesondere Gelenkwinkel, und durch zeitliche Ableitung auch die Gelenk(winkel)geschwindigkeiten jederzeit ermittelt werden, um daraus (unter Mitberücksichtigung der Traglastparameter) z. B. den aktuellen Roboter-Bremsweg exakt errechnen zu können. More preferably, in the case of a single or multi-axis robot, the sensors are each integrated in the axle joints of the robot. In more complex robots, such as, for example, six-axis industrial robots, thus the joint coordinates, in particular joint angle, and by time derivative, the joint (angle) velocities can be determined at any time to use it (taking into account the load parameters) z. B. to calculate the current robot braking distance exactly.
Für den Fall, dass es sich bei dem Objekt um eine Person handelt, ist weiter bevorzugt, dass die Sensoren an den Gelenken und / oder an weiteren biomechanisch relevanten Stellen der Person angebracht sind. Zur Erfassung von Körpersegmentpositionen im Raum können auch eine Vielzahl sogenannter "Marker" verwendet werden, die an biomechanisch relevanten Positionen, wie der Schulter, der Hand, der Hüfte und der Ferse, der jeweiligen Person befestigt werden. Ein Kamerasystem kann dann für diese "Marker" kontinuierlich über die gesamte Messzeit die dreidimensionalen Raumkoordinaten ermitteln, woraus wiederum der Abstand zwischen Roboter und Person bestimmbar ist. In the event that the object is a person, it is further preferred for the sensors to be present at the joints and / or at further biomechanically relevant points of the person are attached. To detect body segment positions in space, a variety of so-called "markers" can be used, which are attached to biomechanically relevant positions, such as the shoulder, the hand, the hip and the heel, of the respective person. A camera system can then continuously determine the three-dimensional spatial coordinates for these "markers" over the entire measuring time, from which the distance between the robot and the person can be determined.
Weiterhin ist auch bevorzugt, dass wenigstens ein Sensor als kabelloser Trägheitssensor, insbesondere als 3D-Gyroskop, -Beschleunigungsaufnehmer und / oder -Magnetometer, ausgebildet ist. Diese Trägheitssensoren bestehen aus Masseelementen, die bei Verschiebung durch Beschleunigung bzw. Negativbeschleunigung eine Ortsveränderung ausführen. Diese Ortsveränderung wird in verschiedener Weise detektiert bzw. als Signal umgesetzt. Durch Integration der von den Trägheitssensoren gemessenen Beschleunigungen und Drehraten wird laufend die räumliche Bewegung des Roboters und daraus jeweils die aktuelle räumliche Position berechnet. Furthermore, it is also preferred that at least one sensor is designed as a wireless inertial sensor, in particular as a 3D gyroscope, accelerometer and / or magnetometer. These inertial sensors consist of mass elements that perform a displacement when displaced by acceleration or negative acceleration. This change in location is detected in various ways or implemented as a signal. By integrating the accelerations and rotation rates measured by the inertial sensors, the spatial movement of the robot and, in each case, the current spatial position are continuously calculated.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sensor als ein den Roboter umhüllender kapazitiver Sensor ausgebildet ist. Durch Nutzung einer derartigen Roboterhülle mit kapazitiver Sensorik stehen im Nahbereich des Roboters Informationen über die relative Position des potenziellen Kollisionsobjektes kontinuierlich zur Verfügung. Alternatively or additionally, it can be provided that at least one sensor is designed as a capacitive sensor enveloping the robot. By using such a robot cover with capacitive sensors, information about the relative position of the potential collision object is continuously available in the vicinity of the robot.
Überdies ist in einer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass das Bremswegberechnungsmittel ausgelegt ist, den Bremsweg auf Basis wenigstens eines der folgenden Parameter zu berechnen: Roboterbahn, -masse, -geschwindigkeit sowie andere mechanische Verzögerungsfaktoren. Beispielsweise können Toleranzen, Verschleiß, Erwärmung und dergleichen, die zu verschiedenen Bremskraft- bzw. Bremsmomentverläufen und somit zu unterschiedlichen Bremswegen führen, als andere mechanische Verzögerungsfaktoren im Sinne der Erfindung angesehen werden. Auch kann die Schwerkraft, je nachdem, ob sie zusätzliche Bremskräfte und -momente induziert oder diesen beschleunigend entgegenwirkt, den Bremsweg verkürzen oder verlängern. Moreover, in one embodiment of the invention, it is preferably provided that the braking distance calculating means is designed to calculate the braking distance on the basis of at least one of the following parameters: robot path, mass, speed and other mechanical deceleration factors. For example, tolerances, wear, heating and the like, which lead to different Bremskraft- or Bremsmomentverläufen and thus to different braking distances, be considered as other mechanical delay factors in the context of the invention. Also, gravity, depending on whether it induces additional braking forces and moments or counteracts these accelerating, shorten or extend the braking distance.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall auf das Objekt treffenden Roboterteiles, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Form, Material, Größe, Masse und / oder Geschwindigkeit, zu berechnen. Neben Masse und Geschwindigkeit ist das Erscheinungsbild bzw. die Eigenschaft des kollidierenden Roboterteiles, insbesondere die Größe, Form und Scharfkantigkeit, von wesentlicher Bedeutung für das potenzielle Schadensausmaß (Verletzungsschwere) am Kollisionsobjekt (Person). According to a further embodiment of the invention, the damage amount calculating means is designed to calculate the extent of damage as a function of the robot part striking the object in the event of a collision, in particular depending on its shape, material, size, mass and / or speed. In addition to mass and speed, the appearance or the property of the colliding robot part, in particular the size, shape and sharp edge, is of essential importance for the potential extent of damage (injury severity) at the collision object (person).
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall vom Roboter getroffenen Objektteiles, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Empfindlichkeit gegenüber Kollisionen, zu berechnen. Das Schadensausmaßberechnungsmittel kann hierzu bspw. eine Datenbank mit empirisch ermittelten Daten über Beeinträchtigungen eines Menschen (z. B. keine Beeinträchtigung, Schmerzempfinden, Prellung ohne Verletzung der Haut, leichte oberflächliche Hautverletzung, mittelgradige Verletzung der Haut etc.) bei Kollisionen eines Roboterteiles mit einem bestimmten Körperteil (z. B. Kopf, Hals, Brustkorb) enthalten. In yet another embodiment of the invention, it is provided that the damage extent calculation means is designed to calculate the extent of damage as a function of the object part struck by the robot in the event of a collision, in particular as a function of its sensitivity to collisions. For this purpose, the damage-extent-calculating means can, for example, be a database with empirically determined data on impairments of a person (eg no impairment, pain sensation, bruising without injury to the skin, slight superficial skin injury, moderate skin injury, etc.) in the event of a robot part colliding with a specific one Body part (eg head, neck, rib cage) included.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist schließlich ein industrieller Roboter mit wenigstens einem Airbag, der im deaktivierten zusammengefalteten Zustand in einem Gehäuse des Roboters untergebracht ist und im aktivierten entfalteten Zustand aus dem Gehäuse des Roboters austritt. Erstmals wird somit für einen industriellen Roboter die Verwendung eines im Robotergehäuse integrierten Airbags vorgeschlagen, der sich bei einem möglichen Zusammenstoß mit einem Kollisionsobjekt (insbesondere einer Person) aufbläht und somit die Stärke des Aufpralls und die daraus resultierenden Kollisionsschäden mindert. Another aspect of the invention is finally an industrial robot with at least one airbag, which is housed in the deactivated folded state in a housing of the robot and exiting the activated state of the housing of the robot in the activated. For the first time, the use of an airbag integrated in the robot housing is thus proposed for an industrial robot, which inflates in the event of a possible collision with a collision object (in particular a person) and thus reduces the severity of the collision and the resulting collision damage.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung und das erfindungsgemäße Sicherheitsverfahren am Beispiel einer Mensch-Roboter-Interaktion dargestellt sind. Es zeigen: Further features of the invention will become apparent from the following description and from the drawings, in which the safety device according to the invention and the security method according to the invention are shown using the example of a human-robot interaction. Show it:
Sicherheitsvorrichtung und -verfahren nach der Erfindung können insbesondere in der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) erfolgreich zum Einsatz kommen. Bei MRK-Applikationen befindet sich in Entsprechung zu
Der Roboter
Bisher schienen nur Leichtbauroboter den strengen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in einer Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) zu genügen. Um aber auch klassischen Industrierobotern den Einsatz im kollaborierenden Betrieb zu ermöglichen, stellt die Erfindung eine entsprechende Sicherheitsvorrichtung und ein entsprechendes Sicherheitsverfahren bereit, die die bei solchen Industrierobotern vorliegenden hohen Geschwindigkeiten und Traglasten berücksichtigen. So far, only lightweight robots seemed to meet the stringent safety requirements for use in human-robot cooperation (MRC). However, in order to enable classic industrial robots to be used in collaborative operation, the invention provides a corresponding safety device and a corresponding safety method that take into account the high speeds and load capacities present in such industrial robots.
Damit industrielle Roboter mit Menschen zusammenarbeiten können, ist zunächst eine sichere Überwachung des Roboters
Neben dem vorgeschilderten 3D-Kamerasystem
Es ist bereits bekannt, an Robotern tastsensitive Hüllen vorzusehen, um bei Berührung eine Notabschaltung in einem gewissen Sicherheitsabstand zu realisieren. Jedoch ist eine taktile Sicherheitssensorik allein noch nicht ausreichend, um eine sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander zu ermöglichen. Insbesondere ist eine solche taktile Sicherheitssensorik nicht dazu geeignet, bei industriellen Robotern als alleiniges Sicherheitsmittel eingesetzt zu werden, da hier die grundsätzliche Problematik besteht, dass eine bevorstehende Kollision frühzeitig erkannt werden muss. Industrielle Roboter werden nämlich aufgrund ihrer hohen Massenträgheit immer nur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zum Stillstand kommen. It is already known to provide touch-sensitive sleeves on robots in order to realize an emergency shutdown at a certain safety distance when touched. However, a tactile safety sensor alone is not sufficient to allow safe cooperation of humans and robots in close proximity to each other. In particular, such a tactile safety sensor is not suitable to be used in industrial robots as the sole means of security, since the fundamental problem is that an imminent collision must be detected early. Because of their high inertia, industrial robots will always come to a standstill only with a certain delay.
Deshalb wird in der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung von einem Bremswegberechnungsmittel Gebrauch macht, das einen dem jeweils aktuellen Bewegungszustand des Roboters
Der berechnete Bremsweg wird dabei erfindungsgemäß als sicherheitstechnisch zulässiger Mindestabstand zwischen dem Roboter
Allerdings hat der Erfinder erkannt, dass nicht jeder noch so triviale Kontakt zwischen Roboter
Mit der Sicherheitsvorrichtung und dem Sicherheitsverfahren nach der Erfindung wird daher ermöglicht, bei der Bewegung des Roboters
Die Berechnung des Schadensausmaßes ist im Falle der in
Zum anderen hängt die Verletzungsschwere entscheidend vom kollidierenden Roboterteil
Fraglich ist, wann das durch eine solche potenzielle Kollision verursachte Schadensausmaß tolerierbar ist oder nicht. Dazu wird erfindungsgemäß das berechnete potenzielle Schadensausmaß mit einem vorgegebenen Schadensgrenzwert verglichen. Die medizinisch-biomechanische Bewertung von Mensch-Roboter-Kollisionen ist in jüngerer Vergangenheit zunehmend Gegenstand der Forschung geworden. So sind bspw. in den BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie (herausgegeben vom
Trotz dem sofort eingeleiteten Stillsetzen des Roboters
Bei der in
In
Gemäß
Obwohl in
Sicherheitsvorrichtung und -verfahren nach der Erfindung gestatten es, in Abhängigkeit der miteinander kollidierenden Roboterteile
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Roboter robot
- 2 2
- 3D-Kamerasystem (Positionserfassungsmittel) 3D camera system (position detection means)
- 3 3
- Sensoren in Roboter-Achsgelenken (Positionserfassungsmittel) Sensors in robot axle joints (position detection means)
- 4 4
- den Roboter umhüllender kapazitiver Sensor (Positionserfassungsmittel) robotic capacitive sensor (position detecting means)
- 5 5
- Sensoren an Objekt (Positionserfassungsmittel) Sensors on object (position detection means)
- 6 6
- Person (Objekt, Kollisionsobjekt) Person (object, collision object)
- 7, 8 7, 8
- Airbags airbags
- 9a, 9b, 9c 9a, 9b, 9c
- Achsgelenke des Roboters Axis joints of the robot
- 10 10
- auf Objekt treffendes (kollidierendes) Roboterteil Robot object meeting (colliding) object
- 11 11
- menschlicher Kopf (von Roboter getroffenes Objektteil) human head (robot-hit object)
- 12 12
- Gehäuse des Roboters Housing of the robot
- 12a, 12b 12a, 12b
- Abdeckungen des Robotergehäuses Covers of the robot housing
- 13 13
- Greifer (Werkzeug) Gripper (tool)
- 14a, 14b 14a, 14b
- Roboterarme robot arms
- 15 15
- Plattform des Roboters Platform of the robot
- 16 16
- Grundgestell des Roboters Basic frame of the robot
- d d
- Abstand zwischen Roboter und Objekt Distance between robot and object
- L L
- Längsachse des Roboterarmes Longitudinal axis of the robot arm
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |