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 Konferenzbeitrag "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" von S. Haddadin et al., erschienen in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217–224 , wird bereits gelehrt, die Sicherheit des Menschen während der physischen Interaktion mit dem Roboter durch Kollisionsversuche ("Crash-Tests") unter kontrollierten Bedingungen zu bewerten. Aus den in diesem Konferenzbeitrag vorgestellten Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass die Masse und die Geschwindigkeit des Roboters einen hohen Einfluss auf die Schwere der im Kollisionsfall eintretenden Verletzungen des Menschen ausüben. Diesbezüglich wird in mehreren Figuren des Konferenzbeitrages von S. Haddadin et al. die unter Verwendung eines "Hybrid III Crash-Test-Dummies" ermittelte Verletzungsschwere (engl. injury level) bei einer Mensch-Roboter-Kollision dargestellt. Angesichts dieser Ergebnisse bleibt großen und vor allem leistungsstarken industriellen Robotersystemen (mit hohen Traglasten, hohen Geschwindigkeiten und kollisionsgefährlichen Roboterteilen bzw. -werkzeugen) der Einsatz in Mensch-Roboter-Teams infolge der Unfähigkeit bekannter Sicherheitskonzepte zur vollständigen Kollisionsvermeidung bisher aus Sicherheitsgründen verwehrt. in the Conference Paper "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" by S. Haddadin et al., Published in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217-224 , is already taught to assess human safety during physical interaction with the robot through collision tests ("crash tests") under controlled conditions. From the results presented in this conference contribution, it can be deduced that the mass and speed of the robot exert a high influence on the severity of human injury in the event of a collision. In this regard, in several figures of the conference contribution by S. Haddadin et al. illustrated the injury level determined using a "Hybrid III crash test dummies" in a human-robot collision. In view of these results, large-scale and above all powerful industrial robot systems (with high payloads, high speeds and collision-risky robot parts or tools) have hitherto been prevented from being used in human-robot teams due to the inability of known security concepts for complete collision avoidance for safety reasons.

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. DE 896 312 B , US 2 649 311 A , DE 101 39 194 B4 ). Allerdings weichen die im Kraftfahrzeugbereich an Airbags gestellten Anforderungen erheblich von denen ab, die in Roboter-Kollaborationsanwendungen zu berücksichtigen sind. Although the standard use of airbags as restraint devices in the event of accidents in order to greatly reduce injuries in the region of the upper body or head of the vehicle occupants has long been known in the motor vehicle field (cf. DE 896 312 B . US Pat. No. 2,649,311 . DE 101 39 194 B4 ). However, the requirements placed on airbags in the field of motor vehicles deviate considerably from those to be considered in robot collaboration applications.

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 claim 1 and a corresponding safety method having the features of claim 16.

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 patent claim 12.

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 ISO/TS 15066 ("Robots and robotic devices – collaborative robots") aufbereitet und lassen sich zur Validierung einer sicheren MRK heranziehen. However, it does not require every potential contact between a robot and an object in its workspace to take any collision avoidance emergency measures. In addition to falling below the specified by the braking distance minimum distance is therefore required by the safety device according to the invention as a second criterion for the activation of such emergency measures that the occurring in a potential collision extent of damage exceeds a corresponding limit. In this way, z. B. be excluded that an emergency shutdown for rapid shutdown of the robot is caused even at the slightest touch that cause neither the respective object nor the robot to relevant damage. Because of the large mass involved in such an emergency shutdown inevitably large forces that the robot should be exposed only in real emergency situations. Applied to a human-robot collision, this means that emergency measures are only activated if the collision forces acting on the person (with unchanged robot movement) would lead to pain and in particular to injuries. There are currently several studies in which the permissible limit values for the contact case between human and robot have been determined. In this case, a violation of the human must be safely excluded. First findings regarding the biomechanical limits for the contacts between humans and robots are z. B. within the technical specification ISO / TS 15066 (robots and robotic devices) processed and can be used to validate a safe MRC.

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:

1 schematisierte Darstellung zur Ermittlung der Relativposition zwischen einer Person und einem industriellen Roboter mittels 3D-Kamerasystem und Sensoren, 1 schematic representation for determining the relative position between a person and an industrial robot by means of a 3D camera system and sensors,

2 schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Roboters mit vergrößerter Detailansicht der im Robotergehäuse untergebrachten Airbags, 2 schematic representation of a robot according to the invention with an enlarged detail view of the housed in the robot housing airbags,

3 bis 5 zeitliche Abfolge einer Roboterbewegung mit von einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung initialisierter Airbag-Auslösung zur Vermeidung einer Mensch-Roboter-Kollision. 3 to 5 Time sequence of a robot movement with an initialized by a safety device according to the invention airbag deployment to avoid a human-robot collision.

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 1 eine Person 6 im Arbeitsbereich eines Roboters 1. Der Roboter 1 wird hierbei im Arbeitsbereich entlang einer programmierten Bewegungsbahn mit einer programmierten Geschwindigkeit verfahren. Eine bewegliche Plattform 15 des Roboters 1 ist auf einem Grundgestell 16 derart gelagert, dass sie sich um ihre Mittelachse drehen kann. Ein erster unterer Roboterarm 14a ist um ein erstes horizontales Achsgelenk 9a schwenkbar an der Plattform 15 gelagert. Ein zweiter oberer Roboterarm 14b ist mit seinem einen Ende wiederum schwenkbar am ersten unteren Roboterarm 14a mittels eines zweiten horizontalen Achsgelenkes 9b angelenkt und weist an seinem anderen Ende ein Roboterwerkzeug in Form eines Greifers 13 mit zwei Fingern auf, wobei der Greifer 13 ebenfalls schwenkbar über ein drittes horizontales Achsgelenk 9c am zweiten Roboterarm 14b angelenkt ist. Safety device and method according to the invention can be used successfully in particular in human-robot cooperation (MRC). For MRK applications is located in Correspondence to 1 a person 6 in the working area of a robot 1 , The robot 1 In this case, it is moved in the work area along a programmed trajectory at a programmed speed. A mobile platform 15 of the robot 1 is on a base frame 16 mounted so that it can rotate about its central axis. A first lower robot arm 14a is a first horizontal pivot 9a swiveling on the platform 15 stored. A second upper robot arm 14b is pivotable with its one end turn on the first lower robot arm 14a by means of a second horizontal axle joint 9b hinged and has at its other end a robot tool in the form of a gripper 13 with two fingers, with the gripper 13 also pivotable via a third horizontal pivot 9c on the second robot arm 14b is articulated.

Der Roboter 1 wird für eine beliebige Kooperationsaufgabe mit einer Person 6 eingesetzt. Eine solche Kooperation findet man bspw. in verketteten Montagelinien, wo ggf. mehrmalige Umläufe zwischen Automatikstationen und Handarbeitsplätzen notwendig sind. So kann bspw., nachdem die von einer Person 6 durchzuführenden manuellen Arbeitsschritte beendet sind, das Werkstück von dem mit dem zweiten Roboterarm 14b verbundenen schematisch dargestellten Greifer 13 erfasst und an eine nachfolgende automatische oder manuelle Bearbeitungsstation übergeben werden. Hierbei werden die Roboterarme 14a, 14b, der Greifer 13 und das vom Greifer 13 gehaltene Werkstück im dreidimensionalen Arbeitsbereich bewegt, sodass die Gefahr der Kollision zwischen dem Roboter 1 bzw. dem Werkstück und der sich im Arbeitsbereich aufhaltenden Person 6 (Werker) besteht. The robot 1 is for any cooperation task with a person 6 used. Such cooperation can be found, for example, in chained assembly lines, where necessary multiple cycles between automatic stations and manual workstations are necessary. So can, for example, after the one by one person 6 To be performed manual operations are completed, the workpiece of the with the second robot arm 14b connected schematically illustrated gripper 13 and transferred to a subsequent automatic or manual processing station. Here are the robot arms 14a . 14b , the grapple 13 and that of the grapple 13 held workpiece in the three-dimensional workspace moves, so the risk of collision between the robot 1 or the workpiece and the person staying in the work area 6 (Worker) exists.

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 1 und der Roboterumgebung in Echtzeit erforderlich. 1 zeigt die in einer MRK-Applikation eingesetzte Sensorik zur Ermittlung der Relativposition zwischen einer im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Person 6 und dem Roboter 1. Eine lückenlose dreidimensionale Überwachung des Roboter-Arbeitsbereiches wird hierbei durch ein 3D-Kamerasystem 2 erreicht, das vertikal oberhalb des zu überwachenden Roboter-Arbeitsbereiches befestigt ist und mit seinem Sichtbereich den Roboter-Arbeitsbereich vollständig abdeckt. For industrial robots to be able to work together with humans, the robot must first be reliably monitored 1 and the robot environment in real time. 1 shows the sensors used in an MRK application for determining the relative position between a person located in the robot workspace 6 and the robot 1 , A complete three-dimensional monitoring of the robot working area is provided by a 3D camera system 2 which is mounted vertically above the robot work area to be monitored and with its field of view completely covers the robot work area.

Neben dem vorgeschilderten 3D-Kamerasystem 2 verfügen Roboter 1 und Person 6 zusätzlich über weitere Sensoren 3, 4, 5, um ihre jeweilige Position und Lage im Raum sowie ihre Bewegungen innerhalb des Raumes kontinuierlich zu ermitteln. Vorzugsweise werden hierzu kabellose Trägheitssensoren 3, 5 (z. B. 3D-Gyroskope, -Beschleunigungsaufnehmer, -Magnetometer) an den Achsgelenken 9a, 9b, 9c des Roboters 1 sowie an den Gelenken und weiteren biomechanisch relevanten Stellen der jeweiligen Person 6 angebracht. Solche Trägheitssensoren 3, 5 sind als integrierte Bauelemente kommerziell erhältlich, wobei deren Abmessungen nur einige Millimeter oder Zentimeter betragen. Geeignete Beschleunigungssensoren werden bspw. bereits bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um anhand der erfassten Beschleunigungen, die beispielsweise bei einem Unfall auftreten, einen Airbag auszulösen. In diesen Fällen dient die erfasste Beschleunigung allerdings selbst als Messgröße, wohingegen die vorliegende Erfindung eine Bewegungsbahn und eine Bewegungsgeschwindigkeit anhand der erfassten Beschleunigung bestimmt. Als zusätzlicher Sensor ist gemäß 1 ein den Roboter 1 umhüllender kapazitiver Sensor 4 vorgesehen, der dazu dient den Nahbereich des Roboters 1 kontinuierlich zu überwachen und die Relativposition eines in diesen Nahbereich geratenen Kollisionsobjektes (Person 6) zu ermitteln. In addition to the pre-defined 3D camera system 2 have robots 1 and person 6 additionally via additional sensors 3 . 4 . 5 to continuously determine their position and position in space as well as their movements within the space. Preferably, this wireless wireless inertial sensors 3 . 5 (eg 3D gyroscopes, accelerometers, magnetometers) at the axle joints 9a . 9b . 9c of the robot 1 as well as at the joints and other biomechanically relevant places of the respective person 6 appropriate. Such inertial sensors 3 . 5 are commercially available as integrated components, the dimensions of which are only a few millimeters or centimeters. Suitable acceleration sensors are already used, for example, in motor vehicles in order to trigger an airbag on the basis of the detected accelerations which occur, for example, in the event of an accident. In these cases, however, the detected acceleration itself serves as a measured quantity, whereas the present invention determines a movement path and a movement speed on the basis of the detected acceleration. As an additional sensor is according to 1 a the robot 1 enveloping capacitive sensor 4 provided, which serves the close range of the robot 1 continuously monitor and the relative position of a collision object (Person 6 ) to investigate.

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 1 zugehörigen Bremsweg berechnet. Diese Berechnung des Bremsweges erfolgt zumindest unter Berücksichtigung der Roboterbahn, der Robotermasse und der Robotergeschwindigkeit. Roboterbahn und Robotergeschwindigkeit können aus den an den Achsgelenken 9a, 9b, 9c von den Sensoren 3 aufgenommenen Gelenk(winkel)positionen und Gelenk(winkel)geschwindigkeiten ermittelt werden. Massen und Abmessungen der einzelnen beweglichen Roboterteile sind in einer Datenbank gespeichert, auf die das Bremswegberechnungsmittel auswählend zugreifen kann. Therefore, in the safety device according to the invention, use is made of a braking distance calculating means which corresponds to the respective current state of motion of the robot 1 associated braking distance calculated. This calculation of the braking distance is at least taking into account the robot path, the robot mass and the robot speed. Robot track and robot speed can be out of those at the axle joints 9a . 9b . 9c from the sensors 3 recorded joint (angle) positions and joint (angle) speeds are determined. Masses and dimensions of the individual mobile robot parts are stored in a database which can be selectively accessed by the braking distance calculating means.

Der berechnete Bremsweg wird dabei erfindungsgemäß als sicherheitstechnisch zulässiger Mindestabstand zwischen dem Roboter 1 und dem potenziellen Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) festgelegt. Anhand des derart berechneten Bremsweges und anhand des aus der Positionserfassung gemäß 1 bestimmten aktuellen Abstandes d des Roboters 1 zum Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) wird ermittelt, ob dieser Abstand d noch für eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung erreicht werden kann. Übersteigt der aktuelle Bremsweg den detektierten Abstand d zwischen Roboter 1 und potenziellem Kollisionsobjekt 6, kann ein sofortiges Stillsetzen (Nothalt) des Roboters 1 eingeleitet werden, um eine Kollision zu vermeiden bzw. deren Folgen zu mindern. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bereits bei einer Annäherung des Roboter-Mensch-Abstandes d an den berechneten Bremsweg eine Geschwindigkeitsreduzierung des Roboters 1 vorgenommen wird, um den Bremsweg bei einem nachfolgenden Stillsetzen des Roboters 1 weiter zu reduzieren und somit eine Kollision vorausschauend zu vermeiden. The calculated braking distance is according to the invention as a safety-technically permissible minimum distance between the robot 1 and the potential collision object (eg person 6 ). Based on the thus calculated braking distance and on the basis of the position detection according to 1 determined actual distance d of the robot 1 to the collision object (eg person 6 ) determines whether this distance d can still be achieved for a sufficient damage reduction by braking. If the current braking distance exceeds the detected distance d between robots 1 and potential collision object 6 , can cause an immediate shutdown (emergency stop) of the robot 1 initiated in order to avoid a collision or to reduce its consequences. In addition, it can be provided that a speed reduction of the robot already takes place when the robot-human distance d approaches the calculated braking distance 1 is made to the braking distance in a subsequent shutdown of the robot 1 continue to reduce and thus avoid a collision anticipatory.

Allerdings hat der Erfinder erkannt, dass nicht jeder noch so triviale Kontakt zwischen Roboter 1 und Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) das Auslösen eines sofortigen Nothaltes des Roboters 1 erforderlich macht. Ein sicherheitsgerichteter Nothalt belastet aufgrund der dabei generierten impulsartigen Kräfte die Tragstruktur des Roboters 1 und führt mitunter zu erheblichen Produktionsstörungen, da zusätzlich zum Zeitverlust durch das Wiederanfahren des Roboters 1 nach dem Nothalt auch das Werkstück unbrauchbar wird oder zumindest nachbearbeitet werden muss. Daher soll ein Nothalt nur eingeleitet werden, wenn das durch einen solchen Nothalt verhinderte potenzielle Schadensausmaß ein nicht tolerierbares Ausmaß überschreitet. However, the inventor has realized that not everyone has such a trivial contact between robots 1 and collision object (eg person 6 ) triggering an immediate emergency stop of the robot 1 required. A safety-related emergency stop loads the supporting structure of the robot due to the pulse-like forces generated in the process 1 and sometimes leads to significant production disruptions, in addition to the loss of time due to the restart of the robot 1 After the emergency stop, the workpiece is unusable or at least must be reworked. Therefore, an emergency stop should only be initiated if the potential extent of damage prevented by such an emergency stop exceeds an intolerable extent.

Mit der Sicherheitsvorrichtung und dem Sicherheitsverfahren nach der Erfindung wird daher ermöglicht, bei der Bewegung des Roboters 1 das Gefährdungspotential von in der Bewegungsbahn als Hindernis erkannten Objekten 6 zu gewichten. Erfindungsgemäß wird eine solche Gewichtung dadurch erreicht, dass der sich aus der sensorischen Überwachung des Roboters 1 und des Roboter-Arbeitsbereiches ergebende Bewegungsablauf des Roboters 1 und der Person 6 nicht nur zur Berechnung des Bremsweges, sondern auch zur Berechnung des bei einer potenziellen Kollision eintretenden Schadensausmaßes herangezogen wird. Die Notabschaltung des Roboters 1 wird (auch wenn der Mensch-Roboter-Abstand d den Bremsweg unterschreitet) nur aktiviert, wenn das berechnete Schadensausmaß größer als ein bestimmter Grenzwert ist. Dieses Konzept ermöglicht es, eine Person 6 mit einem Roboter 1 zusammenarbeiten zu lassen, da einerseits die Sicherheit der Person 6 jederzeit gewährleistet ist und andererseits bei trivialen (evtl. auch gewollten) Kontakten ein unnötiges Stillsetzen des Roboters 1 vermieden wird. With the safety device and the safety method according to the invention is therefore made possible in the movement of the robot 1 the hazard potential of objects detected as obstacles in the trajectory 6 to weight. According to the invention, such a weighting is achieved in that resulting from the sensory monitoring of the robot 1 and the robot work area resulting movement sequence of the robot 1 and the person 6 not only for calculating the braking distance, but also for calculating the amount of damage occurring in a potential collision. The emergency shutdown of the robot 1 is activated (even if the human-robot distance d is less than the braking distance) only when the calculated amount of damage is greater than a certain limit. This concept allows a person 6 with a robot 1 working together, because on the one hand, the safety of the person 6 guaranteed at any time and on the other hand in trivial (possibly also wanted) contacts an unnecessary shutdown of the robot 1 is avoided.

Die Berechnung des Schadensausmaßes ist im Falle der in 1 bis 5 dargestellten Mensch-Roboter-Interaktion gleichbedeutend mit der Berechnung der bei einer potenziellen Kollision eintretenden Schwere der Verletzung (engl. injury level) der beteiligten Person 6. Dabei hängt die Verletzungsschwere zum einen vom getroffenen Körperteil der Person 6 ab. So ist bspw. ein Zusammenstoß mit dem Oberarm als unkritischer zu bewerten als ein Zusammenstoß mit sensiblen Körperteilen, wie dem Kopf 11 oder dem Hals. In einer Datenbank sind bevorzugt charakteristische Daten zu typischen Körperteilformen abgelegt. Diese charakteristischen Daten unterstützen die Sensorik in der maschinellen Einordnung der detektierten Körperteile und damit in der maschinellen Erkennung der Körperteile, z. B. mit Mitteln der optischen Mustererkennung (wie dem in 1 gezeigten 3D-Kamerasystem 2). The calculation of the extent of damage is in the case of 1 to 5 represented human-robot interaction synonymous with the calculation of the occurring in a potential collision injury level (English level) of the person involved 6 , The severity of the injury depends on the person's body part 6 from. For example, a collision with the upper arm is considered to be less critical than a collision with sensitive parts of the body, such as the head 11 or the neck. In a database, characteristic data on typical body sub-forms are preferably stored. These characteristic data support the sensors in the mechanical classification of the detected body parts and thus in the machine detection of body parts, eg. B. with means of optical pattern recognition (as the in 1 shown 3D camera system 2 ).

Zum anderen hängt die Verletzungsschwere entscheidend vom kollidierenden Roboterteil 10, insbesondere von dessen Masse und Geschwindigkeit, ab. Ein schweres, mit hoher Geschwindigkeit bewegtes Roboterteil richtet verständlicherweise einen größeren Schaden an als ein leichtes, mit geringer Geschwindigkeit bewegtes Roboterteil. Die aktuelle Geschwindigkeit des kollidierenden Roboterteiles 10 kann aus den Messergebnissen der in den Achsgelenken 9a, 9b, 9c integrierten Trägheitssensoren 3 abgeleitet werden. In die geschätzte Kollisionsgeschwindigkeit kann bevorzugt nicht nur die Geschwindigkeit des Roboters 1, sondern auch die Geschwindigkeit der Person 6 eingehen, sodass die Notfallsysteme des Roboters 1 auch dann ausgelöst werden, wenn sich dieser in Ruhe befindet. Hierdurch können Personen 6 selbst gegen einen versehentlichen Zusammenprall mit einem stehenden Roboter 1 abgesichert werden. Masse und Abmessungen des kollidierenden Roboterteiles 10 können entweder ebenfalls sensorisch erfasst und / oder aus einer Datenbank entnommen werden, in welcher diese Größen für alle kinematisch relevanten Teile des Roboters 1 zur Verfügung gestellt werden. Auch die weiteren Eigenschaften des kollidierenden Roboterteiles 10, wie insbesondere seine Oberflächenform (flach oder scharfkantig), können ebenfalls in einer Datenbank hinterlegt sein, wobei diese Eigenschaften (z. B. typische Oberflächenformen) in der Datenbank mit unterschiedlichen Bewertungsfaktoren hinsichtlich des durch sie jeweils verursachbaren Schadens gewichtet sind. On the other hand, the severity of injury depends crucially on the colliding robot part 10 , in particular of its mass and speed, from. A heavy, high-speed robot part understandably causes more damage than a lightweight, low-speed robot part. The current speed of the colliding robot part 10 can from the results of the in the axle joints 9a . 9b . 9c integrated inertial sensors 3 be derived. In the estimated collision speed, not only the speed of the robot may be preferable 1 but also the speed of the person 6 go down, so the emergency systems of the robot 1 even when it is at rest. This allows people 6 even against an accidental collision with a standing robot 1 be secured. Dimensions and dimensions of the colliding robot part 10 can either also be detected by sensors and / or be taken from a database in which these sizes for all kinematically relevant parts of the robot 1 to provide. Also the other properties of the colliding robot part 10 , in particular its surface shape (flat or sharp-edged), may also be deposited in a database, these properties (eg typical surface shapes) in the database having different weighting factors are weighted in terms of the damage caused by them.

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 BGIA-Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Ausgabe Oktober 2009, Fassung Februar 2011 ) Beurteilungen bezüglich Kollisionsrisiken zwischen Mensch und Roboter angegeben, damit Verletzungsrisiken innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben. Innerhalb dieser Empfehlungen werden für einzelne Körperteile Angaben hinsichtlich gerade noch akzeptabler Klemm- und Quetschkräfte, Stoßkräfte, Druck- und Flächenpressung gegeben, die in einer Datenbank hinterlegt werden können, um von der Sicherheitsvorrichtung jeweils situationsbedingt als Schadensgrenzwerte ausgelesen zu werden. In diesem Zusammenhang kann auch von den in der Robotersicherheitsnorm ISO/TS 15066 veröffentlichten Grenzwerten Gebrauch gemacht werden. Im Falle einer Mensch-Roboter-Kollision kann es sich bei dem Schadensgrenzwert im Allgemeinen um eine Schmerzschwelle des jeweiligen Körperteiles handeln, wobei ein unterhalb dieser Schmerzschwelle verursachter Schaden akzeptiert und nur ein die Schmerzschwelle übersteigender Schaden als unerlaubt angesehen wird. It is questionable when the extent of damage caused by such a potential collision is tolerable or not. For this purpose, according to the invention, the calculated potential extent of damage is compared with a predetermined damage limit value. The medical-biomechanical assessment of human-robot collisions has become increasingly the subject of research in the recent past. For example, in the BG / BGIA recommendations for the risk assessment according to the Machinery Directive (published by the BGIA Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance, October 2009 edition, February 2011 version ) Assessments of collision risks between humans and robots so that risks of injury remain within tolerable limits. Within these recommendations for individual parts of the body are given information on just acceptable clamping and crushing forces, impact forces, pressure and surface pressure, which can be stored in a database to be read by the safety device depending on the situation as damage limits. In this connection can also of the in the Robot safety standard ISO / TS 15066 published limits. In the case of a human-robot collision, the damage threshold may generally be a pain threshold of the respective body part, accepting damage caused below that pain threshold, and only considering damage exceeding the pain threshold.

Trotz dem sofort eingeleiteten Stillsetzen des Roboters 1 kann es durch Verzögerung und Trägheit noch zu einem Zusammenstoß mit starren und ggf. scharfkantigen Teilen des Roboters 1 kommen, was zu schwerwiegenden Verletzungen bei der beteiligten Person 6 führen kann. Um kollisionsgefährliche Roboterteile (insbesondere Spitzen, scharfe Kanten und Scherkanten) abzudecken und die Folgen einer Kollision zu mindern oder gar ganz abzuwenden, erfolgt gleichzeitig zum durch das Stillsetzmittel bewirkten Stillsetzen des Roboters 1 ein durch ein Auslösemittel bewirktes Auslösen wenigstens eines im Roboter 1 eingebauten Airbags 7, 8. Despite the immediately initiated stopping of the robot 1 It may be due to delay and inertia nor to a collision with rigid and possibly sharp-edged parts of the robot 1 come, leading to serious injury to the person involved 6 can lead. In order to cover collision-risky robot parts (in particular points, sharp edges and shearing edges) and to reduce the consequences of a collision or even avert it altogether, the stopping of the robot caused by the stopping means takes place at the same time 1 a triggered by a triggering means triggering at least one in the robot 1 built-in airbags 7 . 8th ,

Bei der in 2 gezeigten Detaildarstellung ist der Innenaufbau des Roboters 1 in dem von einer Ellipse umrandeten Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b gezeigt, welcher gemäß 4 und 5 mit einer Person 6 in Kollisionskontakt gerät. Wie weiter aus 2 ersichtlich, sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten einer Längsachse L des Roboterarmes 14b zwei leere zusammengefaltete Airbags 7, 8 in einem von Abdeckungen 12a, 12b gebildeten Gehäuse 12 des Roboters 1 untergebracht. Um die Airbags 7, 8 im nicht aufgeblasenen Zustand in einer Lage zu halten, in der sie möglichst eng an der Roboterstruktur anliegen, sodass jede Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des Roboters 1 verhindert wird, können entsprechende Haltevorrichtungen (z. B. Gurte) vorgesehen sein. Jeder Airbag 7, 8 umgibt einen Hohlraum, der jeweils mit einer Fluidzuführeinrichtung verbunden ist, wobei das Zuführen des Fluides z. B. von einem Druckluftsystem oder von einer (pyrotechnisch gezündeten) Gaspatrone oder durch eine chemische Reaktion erfolgen kann. Durch die mit dem Druckaufbau eintretende schlagartige Entfaltung des Airbags 7, 8 wird die jeweilige Abdeckung 12a, 12b des Robotergehäuses 12 einer hohen nach außen gerichteten Kraft ausgesetzt. Infolge dieser vom Airbag 7, 8 ausgeübten Kraft wird in der jeweiligen Abdeckung 12a, 12b eine Öffnung freigegeben, durch die der sich entfaltende Airbag 7, 8 hindurchtreten kann. Beispielsweise kann die Freigabe einer Öffnung durch eine scharnierartige Verbindung der jeweiligen Abdeckung 12a, 12b mit dem übrigen Robotergehäuse 12 erreicht werden. At the in 2 shown detail is the internal structure of the robot 1 in the bordered by an ellipse end portion of the second upper robot arm 14b shown which according to 4 and 5 with one person 6 in collision contact device. How farther 2 can be seen on two opposite sides of a longitudinal axis L of the robot arm 14b two empty folded airbags 7 . 8th in one of covers 12a . 12b formed housing 12 of the robot 1 accommodated. To the airbags 7 . 8th in the non-inflated state to keep in a position in which they fit as closely as possible to the robot structure, so that any impairment of the freedom of movement of the robot 1 is prevented, corresponding holding devices (eg straps) may be provided. Every airbag 7 . 8th surrounds a cavity, which is respectively connected to a fluid supply, wherein the supply of the fluid z. B. can be done by a compressed air system or by a (pyrotechnic ignited) gas cartridge or by a chemical reaction. Due to the pressure buildup occurring sudden deployment of the airbag 7 . 8th becomes the respective cover 12a . 12b of the robot housing 12 exposed to a high outward force. As a result of this from the airbag 7 . 8th applied force is in the respective cover 12a . 12b an opening is released through which the deploying airbag 7 . 8th can pass through. For example, the release of an opening by a hinge-like connection of the respective cover 12a . 12b with the rest of the robot housing 12 be achieved.

In 3 bis 5 ist gezeigt, wie sich die Positionen des Roboters 1 sowie der im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Person 6 im zeitlichen Ablauf ändern. Ein bei unveränderter Bewegung des Roboters 1 mit dem Kopf 11 der Person 6 kollidierendes Roboterteil 10 (bestehend aus dem zweiten Roboterarm 14b und dem daran befestigten Greifer 13) wird in Uhrzeigerrichtung um das zweite Achsgelenk 9b gedreht. Da die Beschleunigung dieses sich drehenden Roboterteiles 10 von Beginn der Arbeitsbewegung an kontinuierlich oder zumindest in regelmäßigen Zeitabständen mit den in 1 dargestellten Trägheitssensoren 3 in den Achsgelenken 9a, 9b, 9c erfasst wird, kann seine aktuelle Geschwindigkeit und seine aktuelle Position mathematisch bestimmt werden. Solange das sich drehende Roboterteil 10 auf dem verbleibenden Abstand d zwischen Roboterteil 10 und Person 6 sicher zum Stehen kommen kann, besteht kein Anlass ein Stillsetzen des Roboters 1 einzuleiten. Erst wenn der berechnete Bremsweg den vorliegenden Abstand d überschreitet und wenn das berechnete Schadensausmaß einen Grenzwert übersteigt, der im vorliegenden Falle z. B. mit einer Schmerzschwelle oder Verletzungsschwelle des menschlichen Kopfes 11 übereinstimmt, wird der Roboter 1 stillgesetzt und gleichzeitig ein im kollidierenden Roboterteil 10 integrierter Airbag 7 gemäß 5 aufgeblasen, um den menschlichen Kopf 11 vor einer Kollision mit dem harten Robotergehäuse 12 zu schützen. Im Gegensatz zur Auslösemethode bei einem Kraftfahrzeug-Airbag erkennt die gemäß 1 zur Positionsermittlung eingesetzte Sensorik die Gefahr einer Mensch-Roboter-Kollision bereits von Vornherein vor dem eigentlichen Aufprall und aktiviert vorrausschauend den jeweiligen Roboter-Airbag 7. In 3 to 5 is shown how the positions of the robot 1 as well as the person in the robot workspace 6 to change over time. One with unchanged movement of the robot 1 with the head 11 the person 6 colliding robot part 10 (consisting of the second robot arm 14b and the gripper attached thereto 13 ) turns clockwise around the second knuckle joint 9b turned. Because the acceleration of this rotating robot part 10 from the beginning of the labor movement onwards, or at least at regular intervals with those in 1 shown inertial sensors 3 in the axle joints 9a . 9b . 9c can be determined mathematically, its current speed and its current position. As long as the rotating robot part 10 on the remaining distance d between robot part 10 and person 6 safely come to a halt, there is no reason to stop the robot 1 initiate. Only when the calculated braking distance exceeds the present distance d and when the calculated extent of damage exceeds a limit, which in the present case z. B. with a pain threshold or injury threshold of the human head 11 matches, the robot becomes 1 stopped and at the same time a colliding robot part 10 integrated airbag 7 according to 5 inflated to the human head 11 before a collision with the hard robot housing 12 to protect. In contrast to the triggering method in a motor vehicle airbag recognizes according to 1 Sensor used for position detection the danger of a human-robot collision already from the outset before the actual impact and activated in advance the respective robot airbag 7 ,

Gemäß 2, 4 und 5 sind im greiferseitigen Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b zwei Airbags 7, 8 auf zwei unterschiedlichen Seiten der Roboterarm-Längsachse L im Robotergehäuse 12 aufgenommen. Im Kollisionsfall wird immer nur der Airbag, der sich auf der dem Kollisionsobjekt 6 zugewandten Seite befindet, im vorliegenden Falle also der Airbag 7 auf der Unterseite des Roboterarmes 14b, entfaltet, um diese Seite schützend abzudecken. Hingegen verbleibt der andere, auf der dem Kollisionsobjekt 6 abgewandten Seite befindliche Airbag, im vorliegenden Falle also der obere Airbag 8, im zusammengefalteten Zustand und kann daher problemlos weiterverwendet werden. Wenngleich in 2, 4 und 5 die dargestellten Roboter-Airbags 7, 8 auf den Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b beschränkt sind, versteht es sich, dass entlang des gesamten Roboters 1 im Robotergehäuse 12 so viele Airbags untergebracht sind, dass im aktivierten entfalteten Zustand dieser Airbags alle ein potenzielles Kollisionsobjekt 6 gefährdenden Teile, wie Ecken, Kanten und / oder Flächen, des Roboters 1 ggf. einschließlich eines vom Roboter 1 geführten Werkzeuges 13 und / oder Werkstückes schützend abgedeckt werden. According to 2 . 4 and 5 are in the gripper end of the second upper robot arm 14b two airbags 7 . 8th on two different sides of the robot arm longitudinal axis L in the robot housing 12 added. In the event of a collision, only the airbag that is on the collision object will always be affected 6 facing side, in the present case so the airbag 7 on the bottom of the robot arm 14b , unfolded to protect this page protectively. On the other hand, the other remains on the collision object 6 remote side airbag, in the present case, therefore, the upper airbag 8th , in the folded state and can therefore be used easily. Although in 2 . 4 and 5 the illustrated robotic airbags 7 . 8th on the end of the second upper robot arm 14b limited, it is understood that along the entire robot 1 in the robot housing 12 so many airbags are housed, that in the deployed deployed state of these airbags all a potential collision object 6 hazardous parts, such as corners, edges and / or surfaces, of the robot 1 possibly including one from the robot 1 guided tool 13 and / or workpiece are covered protectively.

Obwohl in 1 bis 5 die Anwendung der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in Mensch-Roboter-Umgebungen illustriert ist, kann diese auch in beliebigen anderen Anwendungsfällen von industriellen Robotern vorteilhaft zum Einsatz gelangen, um den bei einem Aufprallunfall entstehenden Schaden des Roboters 1 sowie des jeweiligen Kollisionsobjektes 6 zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Allerdings handelt es sich bei MRK-Applikationen um besonders bevorzugte Anwendungsfälle, da der Mensch hier einem sehr hohen Risiko ausgesetzt ist und somit auch ein starker Bedarf nach einer Sicherheitsvorrichtung der hiermit vorgeschlagenen Art besteht. Although in 1 to 5 the use of the safety device according to the invention in human-robot environments is illustrated, it can also be used advantageously in any other application cases of industrial robots in order to avoid the damage of a robot resulting from an impact accident 1 as well as the respective collision object 6 to reduce or eliminate altogether. However, MRK applications are particularly preferred applications because the human here is exposed to a very high risk and thus there is also a strong need for a safety device of the type proposed hereby.

Sicherheitsvorrichtung und -verfahren nach der Erfindung gestatten es, in Abhängigkeit der miteinander kollidierenden Roboterteile 10 und Objektteile 11 die entsprechenden Notfallmaßnahmen (sofortige Roboter-Stillsetzung und Auslösung der betreffenden Roboter-Airbags 7, 8) zu aktivieren. Insbesondere findet in MRK-Applikationen eine solche Aktivierung nur statt, wenn die Schadensbewertung ergeben hat, dass von der Kollision eine Gefahr der massiven Schädigung für den Roboter 1 und / oder eine Verletzungsgefahr für die Person 6 ausgeht. Somit wird eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion unter Berücksichtigung der menschlichen Verletzungsbiomechanik erreicht. Im Ergebnis werden vom Roboter 1 daher nur biomechanisch sichere Bewegungen erzeugt, die selbst bei einer Kollision keinen Schaden anrichten, da die erfindungsgemäß im Robotergehäuse 12 integrierten Airbags 7, 8 negative Auswirkungen auf die menschliche Sicherheit in jedem Falle unterbinden. Grundsätzlich können somit Arbeiten, die schon lange aufgrund zu hoher Handarbeitskosten nicht mehr in Deutschland durchgeführt werden, wieder wirtschaftlich in Mensch-Roboter-Kollaborationen realisiert werden. Safety device and method according to the invention allow, depending on the colliding robot parts 10 and object parts 11 the appropriate emergency measures (immediate robot shutdown and deployment of the relevant robotic airbags 7 . 8th ) to activate. In particular, in MRK applications, such activation only takes place when the damage assessment has revealed that the collision poses a threat of massive damage to the robot 1 and / or a risk of injury to the person 6 emanates. Thus, a safe human-robot interaction is achieved, taking into account the human injury biomechanics. As a result, the robot 1 Therefore, only biomechanically generated safe movements that cause no damage even in a collision, since the present invention in the robot housing 12 integrated airbags 7 . 8th Prevent any negative impact on human security in any case. In principle, work that has long since been stopped in Germany due to excessive manual labor costs can again be economically realized in human-robot collaboration.

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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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 896312 B [0008] DE 896312 B [0008]
  • US 2649311 A [0008] US 2649311 A [0008]
  • DE 10139194 B4 [0008] DE 10139194 B4 [0008]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Konferenzbeitrag "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" von S. Haddadin et al., erschienen in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217–224 [0007] Conference Paper "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" by S. Haddadin et al., Published in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217-224 [0007]
  • ISO/TS 15066 ("Robots and robotic devices – collaborative robots") [0019] ISO / TS 15066 (robots and robotic devices - collaborative robots) [0019]
  • BGIA-Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Ausgabe Oktober 2009, Fassung Februar 2011 [0046] BGIA Institute for Occupational Safety and Health of the German Social Accident Insurance, October 2009 edition, February 2011 version [0046]
  • Robotersicherheitsnorm ISO/TS 15066 [0046] Robot safety standard ISO / TS 15066 [0046]

Claims (16)

Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters (1), umfassend: – ein Positionserfassungsmittel (2, 3, 4, 5) zum Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes (6) relativ zum Roboter (1), – ein Bremswegberechnungsmittel zum Berechnen des Bremsweges des Roboters (1) bei seinem aktuellen Bewegungszustand, – ein Schadensausmaßberechnungsmittel zum Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters (1) eintretenden Kollision zwischen Roboter (1) und Objekt (6), – ein Stillsetzmittel zum Stillsetzen des Roboters (1) und ein Auslösemittel zum Auslösen wenigstens eines im Roboter (1) eingebauten Airbags (7, 8) und – ein Steuermittel, das ausgelegt ist, das Stillsetzmittel und das Auslösemittel zu aktivieren, wenn – ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand (d) zwischen Roboter (1) und Objekt (6) kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters (1) ist und – das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist. Safety device for safe operation of a robot which can be moved in a controlled manner in a working area ( 1 ), comprising: - position detecting means ( 2 . 3 . 4 . 5 ) for detecting the current position of at least one object located in the working area ( 6 ) relative to the robot ( 1 ), Braking distance calculation means for calculating the braking distance of the robot ( 1 ) at its current state of motion, - a damage amount calculating means for calculating the amount of damage in the case of a movement of the robot unchanged ( 1 ) collision between robots ( 1 ) and object ( 6 ), - a stopping means for stopping the robot ( 1 ) and a triggering means for triggering at least one in the robot ( 1 ) built-in airbags ( 7 . 8th ) and - a control means which is designed to activate the stopping means and the triggering means when - a distance (d) between robots (d) derived from the detected relative position 1 ) and object ( 6 ) smaller than the calculated braking distance of the robot ( 1 ) and - the calculated amount of damage is greater than a specified damage limit. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Positionserfassungsmittel wenigstens ein 3D-Kamerasystem (2) umfasst, deren Sichtbereich den Arbeitsbereich des Roboters (1) ganz oder teilweise abdeckt. Safety device according to claim 1, wherein the position detection means comprise at least one 3D camera system ( 2 ) whose viewing area covers the working area of the robot ( 1 ) completely or partially covers. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Positionserfassungsmittel am Roboter (1) und / oder am Objekt (6) befindliche Sensoren (3, 4, 5) zur Erfassung der jeweils aktuellen Position des Roboters (1) und / oder des Objektes (6) umfasst. Safety device according to claim 1 or 2, wherein the position detection means on the robot ( 1 ) and / or on the object ( 6 ) located sensors ( 3 . 4 . 5 ) for detecting the current position of the robot ( 1 ) and / or the object ( 6 ). Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei im Falle eines ein- oder mehrachsig ausgebildeten Roboters (1) die Sensoren (3) jeweils in den Achsgelenken (9a, 9b, 9c) des Roboters (1) integriert sind. Safety device according to claim 3, wherein in the case of a single or multi-axis robot ( 1 ) the sensors ( 3 ) each in the axle joints ( 9a . 9b . 9c ) of the robot ( 1 ) are integrated. Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei für den Fall, dass es sich bei dem Objekt (6) um eine Person handelt, die Sensoren (5) an den Gelenken und / oder an weiteren biomechanisch relevanten Stellen der Person angebracht sind. Safety device according to claim 3 or 4, wherein in the event that the object ( 6 ) is a person who uses sensors ( 5 ) are attached to the joints and / or other biomechanically relevant sites of the person. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei wenigstens ein Sensor (3, 5) als kabelloser Trägheitssensor, insbesondere als 3D-Gyroskop, -Beschleunigungsaufnehmer und / oder -Magnetometer, ausgebildet ist. Safety device according to at least one of the preceding claims 3 to 5, wherein at least one sensor ( 3 . 5 ) is designed as a wireless inertia sensor, in particular as a 3D gyroscope, accelerometer and / or magnetometer. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei wenigstens ein Sensor (4) als ein den Roboter (1) umhüllender kapazitiver Sensor ausgebildet ist. Safety device according to at least one of the preceding claims 3 to 6, wherein at least one sensor ( 4 ) as a the robot ( 1 ) enveloping capacitive sensor is formed. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bremswegberechnungsmittel ausgelegt ist, den Bremsweg auf Basis wenigstens eines der folgenden Parameter zu berechnen: Roboterbahn, -masse, -geschwindigkeit sowie andere mechanische Verzögerungsfaktoren.  Safety device according to at least one of the preceding claims 1 to 7, wherein the braking distance calculating means is adapted to calculate the braking distance based on at least one of the following parameters: robot track, mass, speed and other mechanical deceleration factors. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall auf das Objekt (6) treffenden Roboterteiles (10), insbesondere in Abhängigkeit von dessen Form, Material, Größe, Masse und / oder Geschwindigkeit, zu berechnen. Safety device according to at least one of the preceding claims 1 to 8, wherein the damage amount calculating means is designed to determine the extent of damage as a function of the case of collision on the object ( 6 ) meeting robot part ( 10 ), in particular depending on its shape, material, size, mass and / or speed. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall vom Roboter (1) getroffenen Objektteiles (11), insbesondere in Abhängigkeit von dessen Empfindlichkeit gegenüber Kollisionen, zu berechnen. Safety device according to at least one of the preceding claims 1 to 9, wherein the damage amount calculating means is designed to determine the extent of damage as a function of the case of collision of the robot ( 1 ) hit object part ( 11 ), in particular as a function of its sensitivity to collisions. Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei für den Fall, dass es sich bei dem Objekt (6) um eine Person handelt, das berechnete Schadensausmaß ein Maß für die Schwere der durch die Kollision mit dem Roboter (1) hervorgerufenen Körperverletzung darstellt. Safety device according to at least one of the preceding claims 1 to 10, wherein in the event that the object ( 6 ), the calculated amount of damage is a measure of the severity of the collision with the robot ( 1 ) is a bodily injury. Industrieller Roboter mit wenigstens einem Airbag (7, 8), der im deaktivierten zusammengefalteten Zustand in einem Gehäuse (12) des Roboters (1) untergebracht ist und im aktivierten entfalteten Zustand aus dem Gehäuse (12) des Roboters (1) austritt. Industrial robot with at least one airbag ( 7 . 8th ), which in the deactivated collapsed state in a housing ( 12 ) of the robot ( 1 ) is housed and in the activated unfolded state from the housing ( 12 ) of the robot ( 1 ) exit. Industrieller Roboter nach Anspruch 12, wobei das den Airbag (7, 8) aufnehmende Gehäuse (12) wenigstens eine Abdeckung (12a, 12b) aufweist, die infolge einer bei Aktivierung des Airbags (7, 8) vom sich entfaltenden Airbag (7, 8) ausgeübten Kraft eine Öffnung freigibt, durch die der sich entfaltende Airbag (7, 8) hindurchtreten kann. An industrial robot according to claim 12, wherein the airbag ( 7 . 8th ) receiving housings ( 12 ) at least one cover ( 12a . 12b ) due to activation of the airbag ( 7 . 8th ) of the unfolding airbag ( 7 . 8th ) exerts an opening through which the deploying airbag ( 7 . 8th ) can pass through. Industrieller Roboter nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Roboter (1) mit mehreren Airbags (7, 8) ausgestattet ist, die im aktivierten entfalteten Zustand alle ein Kollisionsobjekt (6) gefährdenden Teile, wie Ecken, Kanten und / oder Flächen des Roboters (1) und / oder eines vom Roboter (1) gehaltenen Werkzeuges (13) und / oder Werkstückes abdecken. An industrial robot according to claim 12 or 13, wherein the robot ( 1 ) with several airbags ( 7 . 8th ), which in the activated unfolded state all have a collision object ( 6 ) hazardous parts, such as corners, edges and / or surfaces of the robot ( 1 ) and / or one from the robot ( 1 ) held tool ( 13 ) and / or workpiece cover. Industrieller Roboter nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei der Roboter (1) wenigstens einen Roboterarm (14) aufweist und wenigstens zwei Airbags (7, 8) auf zwei unterschiedlichen Seiten einer Roboterarm-Längsachse (L) angeordnet sind, um die im Kollisionsfall auf ein Kollisionsobjekt (6) treffende Seite des Roboterarmes (14a, 14b, 14c) durch den jeweils entfalteten Airbag (7, 8) abzudecken. An industrial robot according to at least one of the preceding claims 11 to 14, wherein the robot ( 1 ) at least one robot arm ( 14 ) and at least two airbags ( 7 . 8th ) are arranged on two different sides of a robot arm longitudinal axis (L) in order, in the event of a collision, on a collision object ( 6 ) apt side of the robot arm ( 14a . 14b . 14c ) by the deployed airbag ( 7 . 8th ) cover. Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters (1), vorzugsweise unter Verwendung einer Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 und / oder eines Roboters (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, umfassend die Schritte: – Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes (6) relativ zum Roboter (1), – Berechnen des Bremsweges des Roboters (1) bei seinem aktuellen Bewegungszustand, – Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters (1) eintretenden Kollision zwischen Roboter (1) und Objekt (6), – Stillsetzen des Roboters (1) und Auslösen wenigstens eines im Roboter (1) eingebauten Airbags (7, 8), wenn – ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand (d) zwischen Roboter (1) und Objekt (6) kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters (1) ist und – das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist. Safety method for the safe operation of a robot that can be controlled in a working area ( 1 ), preferably using a safety device according to at least one of the preceding claims 1 to 11 and / or a robot ( 1 ) according to at least one of the preceding claims 12 to 15, comprising the steps: - detecting the current position of at least one object located in the working area ( 6 ) relative to the robot ( 1 ), - calculating the braking distance of the robot ( 1 ) at its current state of motion, - calculating the extent of damage in the case of an unchanged movement of the robot ( 1 ) collision between robots ( 1 ) and object ( 6 ), - stopping the robot ( 1 ) and triggering at least one in the robot ( 1 ) built-in airbags ( 7 . 8th ), if - a distance (d) between robots (12) derived from the detected relative position 1 ) and object ( 6 ) smaller than the calculated braking distance of the robot ( 1 ) and - the calculated amount of damage is greater than a specified damage limit.
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