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In den meisten Einsatzgebieten eines Robotersystems, eines programmgesteuerten Automaten oder einer automatisierten Anlage ist der Bewegungs- und Wirkbereich des Robotersystems nach außen zum Aufenthaltsbereich von Personen sicher abgetrennt. Diese Sicherheitsabsperrung erfolgt typischer Weise durch eine räumliche oder mechanische Abtrennung oder der Arbeitsbereich des Robotersystems wird optisch überwacht z. B. durch ein Lichtschrankensystem. Wird die Abtrennung überwunden oder überschritten, dann wird das Robotersystem sofort gestoppt.
In den letzten Jahren ist vermehrt der Wunsch aufgekommen, dass Roboter und Menschen im gleichen Aktionsbereich zusammenwirken sollen, um die Zusammenarbeit zu steigern und die Abläufe effektiver gestalten zu können. In der Umsetzung erfassen die Robotersysteme ihr Umfeld mittels Sensoren wie Kameras, Radarsysteme, Lasersysteme, Wärme-, Infrarot-, Ultraschall- oder kapazitive Sensoren. Nach derzeitigem Stand der Technik fährt der Roboter in einer ersten Stufe der Annäherung zwischen Personen oder Gegenständen und Roboter meist nur noch mit verringerter Geschwindigkeit weiter. Bei fortschreitender Annäherung bleibt der Roboter dann typischer Weise stehen. Es gibt auch bereits Robotersysteme, die bei Annäherung eine Ausweichbewegung ausführen, um den Roboterarm zur Unfallvermeidung aus dem Gefahrenbereich wegzubewegen. Nach Stand der Technik wird dabei meist der Abstand zwischen Personen und Roboter als Messgröße verwendet, um ab einem Grenzwert eine ausweichende Bewegung einzuleiten.
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DE 10 2008 041 602 A1 fokussiert im Wesentlichen auf die Messung von Abstand, Geschwindigkeit oder einfacher Bewegung der Person auf den Roboter hin. Es wird nur auf den Abstand d bzw. auf das Eindringen in die Einhüllende referenziert z. B. „eine dem Abstand d entsprechende Soll-Kraft“. Allerdings liefert diese Schrift keinen Ansatz für eine bewusste Steuerung des Roboters z. B. mit zwei Händen auf gegenüberliegenden Seiten des Roboters. Weiterhin findet sich in der Schrift kein konkreter Anhaltspunkt, dass aus einer ortsaufgelösten Auswertung des Abstandes z. B. eine laterale Topologie der Handbewegung oder die Projektion auf einen lateralen Anteil ermittelt und daraus eine laterale Steuerung des Roboters erzeugt werden kann.
Die Schrift beschreibt die Wirkung des Roboters wie z. B. eine allgemeine Bewegung oder pauschal eine „zugeordnete Bewegung“, also z. B. naheliegend ein Ausweichen. Allerdings wird nicht annähernd ein kausaler Zusammenhang oder ein Umsetzungs- und Lösungsansatz zum Führen in Hin- und Her-Richtung wie z. B. mit zwei Händen auf verschiedenen Seiten oder lateral hin und her auf einer Seite beschrieben. Die in der Schrift genannte Wirkung ist z. B das Bewirken einer Soll-Kraft, Soll-Drehmoment, Aktivieren, Deaktivieren, Ein- oder Ausschalten, Auslösen oder Parametrieren einer Funktion.
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DE 103 20 343 A1 fokussiert im Wesentlichen darauf, dass ein Roboter einem vorgebbaren Programmablauf wie z. B. Montageschritten folgt und bei Annäherung an eine Person, die sich im überlappenden Arbeitsraum bewegt, mittels einer Kollisionsüberwachung eine Unfall-vermeidende oder ausweichende Reaktion ausführt. Der Unfall-vermeidende Charakter der Reaktionsbewegung des Roboters wird insbesondere dadurch offensichtlich, dass der Person ein Gefühl von Sicherheit gegeben werden soll. Das Bewegungsmuster des Roboters kann zwar durch das Bewegungsmuster der Person bestimmt werden, allerdings wird keinerlei Lösungsansatz für eine aktive, zielgerichtete Steuerung des Roboters durch die Person erkennbar.
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In
DE 10 2013 108 114 B4 wird insbesondere auf Gesten Bezug genommen. Jedoch eine Steuerung mit zwei Händen, bei der eine synchrone Handbewegung, die in der ersten Interpretationsstufe zu keiner wesentlichen Roboterbewegung führen würde, z. B. synchrones Verringern oder synchrones Vergrößern beider Abstände, kann als erweiterte Interpretationsstufe eine weitere Reaktion auslösen. Abstrahiert bedeutet dies, dass wenn in der ersten Interpretationsinstanz zwei gegenläufige Bewegungskomponenten der Hände in Summe zu keiner Wirkung führen, dann kann als eine zweite Interpretationsinstanz dieser Bewegungskombination eine neue Wirkung zugeordnet werden. In diesem Fall handelt es sich um kombinierte, gleichzeitige Veränderungen zweier Einflussgrößen und nicht um Gesten.
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In
DE 10 2016 206 866 A1 mit einem gemeinsamen Arbeitsraum einer Person und einem Roboter mit Abstandssensoren kommt es im Wesentlichen zur Bewegungsreduktion bei Annäherung, also zu einer passiven Sicherheitsmaßnahme und nicht zu einer aktiven Steuerung.
In einem Detail wird eine Gestenerkennung beschrieben, aufgrund derer der weitere Montageablauf gesteuert wird. Dies bedeutet, dass in einem vorbereiteten Programmablauf, insbesondere Montageablauf, ein Schritt beendet oder übersprungen werden kann, wohingegen noch keine bewusste, freie und nicht festgelegte Bewegung des Roboters im Raum ermöglicht wird.
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In
DE 10 2008 058 218 A1 wird eine mechanische Verbindung bzw. mechanische Kopplung zwischen Person und z. B. Endeffektor beschrieben. Auch wird ein Datenhandschuh behandelt, der eine Bewegung der Hand an sich detektieren kann, wobei es sich nicht um eine Detektion der relativen Bewegung der Hand zum Roboter in dessen direkter Nähe handelt.
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DE 10 2005 027 522 A1 beschreibt einen Roboter mit einem Sensor zur Erkennung von Hindernissen, die in typischer Weise zum Stoppen oder zu einer Ausweichbewegung des Roboters führt, also nicht zu einer bewussten, vorsätzlichen Manipulation des Roboters.
Ferner wird ein Sensorwert einer Annäherungserkennung mit einem Schwellwert verglichen um zu entscheiden, ob sich im Gefahrenbereich des Roboters ein Hindernis befindet. Mit einer zusätzlichen Auswertung der Positionsdaten des Roboters kann der Schwellwert zur Definition des als Gefahrenbereich definierten Raumes parametrisiert werden. Auch diese Parametrisierung von Grenzwerten zu Sensorwerte beschränkt sich auf die Festlegung auf gefährliche Annäherung oder ungefährliche räumliche Lage.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine freie Bewegung des Roboters im Raum bewusst und intuitiv zu steuern. Dazu werden im Wesentlichen zwei Lösungsansätze mit einer Bewegung der Hände relativ zum Roboter in dessen unmittelbarer Nähe, aber trotzdem berührungslos vorgeschlagen.
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Das vorgeschlagene Verfahren betrifft ein Mensch-Roboter-Kollaborations-System, bei dem das Robotersystem mit einem oder mehreren Freiheitsgraden, Gelenken oder Bewegungsrichtungen ein berührungslos arbeitendes Sensorsystem zur Messung des Abstandes eines oder mehrerer Gegenstände oder Körperteile trägt und mit einem Steuerungssystem zur Auswertung und Interpretation des Sensorsignals sowie zur Ansteuerung des Robotersystems verbunden ist und Bewegungen oder Bewegungsmuster erkennt, so dass das Robotersystem damit bewusst gesteuert und geführt werden kann.
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In einer ersten Betrachtung soll die Abstandsmessung in einer verfahrbaren Bewegungsrichtung, Drehbewegung oder Richtung eines Freiheitsgrades des vorstehend beschriebenen Robotersystems erfolgen. Die berührungslose Abstandsmessung hat den Vorteil, dass bereits frühzeitig, deutlich bevor sich Gegenstand oder Körperteil und Robotersystem berühren, eine Bewegung des Robotersystems ausgelöst werden kann und eine Verletzungsgefahr weitgehend ausgeschlossen wird. Wenn das Robotersystem bei seiner Bewegung in dieser Richtung einen Abstand erkennt, der einen vorgegebenen Abstands-Grenzwert unterschreitet, dann wird die ursprüngliche Bewegung des Robotersystems gestoppt und eine definierte Reaktions-Bewegung ausgelöst. Diese Bewegung kann an die Leistungsfähigkeit des vorliegenden Robotersystems, Automaten, Maschine, bewegten oder angetriebenen, steuerbaren Anlage, Vorrichtung oder Anordnung entsprechend angepasst werden. Im einfachsten Fall wird bei Annäherung an ein Hindernis das Robotersystem mit einem einfachen Schritt reagieren. Effektiver ist es, wenn das Robotersystem bei leichter Unterschreitung des Grenzwertes langsam oder mit einer kleinen Schrittweite, bei schneller Relativbewegung zwischen Robotersystem und Gegenstand oder Körperteil dann schneller oder mit einer größeren Schrittweite bewegt wird. Es kann auch ein Verstärkungsfaktor zwischen Handbewegung und erwünschter Bewegung des Robotersystems sinnvoll sein. Ein Verstärkungsfaktor größer als der Wert Eins führt bereits bei einer kleinen Handbewegung zu einer starken Roboterbewegung. Ein Verstärkungsfaktor zwischen Null und Eins erlaubt das feinfühlige Führen eines größeren Robotersystems, Automaten, Maschine oder Anlage durch deutliche Handbewegungen. Das gewünschte Verhalten des Robotersystems kann linear mit einem vorstehend beschriebenen Verstärkungsfaktor vorgegeben werden. Allgemein kann eine beliebige Kennlinie eingesetzt werden, die unterschiedliche Bereiche mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren, also Kurvensteigungen, aufweist. Mit einer Kennlinie kann man auch Sprünge vorsehen, indem man z. B. ab einem ersten Grenzwert das Robotersystem langsamer fahren lässt, ab einem weiteren Grenzwert das Robotersystem anhält, ab einem nächsten Grenzwert eine definierte Reaktions-Bewegung langsam und ab einem weiteren Grenzwert diese Reaktions-Bewegung schneller ausführen lässt.
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Wenn am Robotersystem oder eines Teilbereichs des Robotersystems ein oder mehrere Abstandssensoren so installiert sind, dass sie auf zwei Seiten oder in beide Richtungen, insbesondere Hin- und Rückrichtung der möglichen Roboterbewegung Ereignisse erkennen können, dann lässt sich das Robotersystem insbesondere durch zwei Hände einfangen und das Robotersystem muss einer Bewegung des Händepaars zwingend folgen. Idealer Weise fährt das Robotersystem mit einer entsprechenden Kennlinie zunächst in die Mitte zwischen beide Hände und folgt dann dem Händepaar dadurch, dass bei einer Bewegung beider Hände der geringere der beiden Abstände vergrößert wird, bis beide Abstände wieder ähnlich groß sind. Hierbei wird praktisch das Robotersystem von der sich nähernden Hand in Richtung der sich entfernenden Hand gezwungen. Mit einer entsprechenden Kennlinie lässt sich die angestrebte Zielposition des Robotersystems auch dadurch leichter einstellen, dass z. B. die eine Hand stoppt und die andere Hand dann effektiv mit einem Verstärkungsfaktor 0,5 feiner steuern kann.
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Wenn Sensorsystem und Steuerungssystem den Abstand zum Gegenstand oder Körperteil in Richtung der möglichen Roboterbewegung in mindestens vier Zonen von geringerem, mittlerem, größerem und sehr großem Abstand aufteilen und zuordnen können, dann lässt sich z. B. bereits mit einer Hand eine Hin- und Her-Bewegung des Robotersystems steuern. Typischer Weise erfolgt bei einem ersten Ereignis in der Zone des größten Abstandes noch keine Änderung der Roboterbewegung. Dies ist gleichbedeutend damit, dass erst bei einem Ereignis in einer Zone mit einem geringeren Abstand als dem entsprechenden Grenzwert eine der nachfolgend beschriebenen Aktionen erfolgt. Typischer Weise wird weiterhin die Zone des mittleren Abstandes für einen Koppelvorgang und einem Stehenbleiben des Roboters verwendet. Wenn dann das Ereignis von der Zone des mittleren Bereichs in die Zone des geringeren Abstandes übergeht, wird typischer Weise der Roboter in die entgegengesetzte Richtung wegbewegt. Wenn andererseits das Ereignis von der Zone des mittleren Bereichs in die Zone des größeren Abstandes übergeht, dann wird typischer Weise der Roboter in diese Richtung zum Ereignis hin bewegt. Wenn sich das Ereignis von sehr weit entfernt beginnend dem Roboter nähert und die verschiedenen Zonen durchläuft, dann hat der Koppelvorgang den erwünschten Vorteil, dass sich der Roboter beim Eintauchen z. B. der Hand in die Zone des größeren Abstandes nicht schon gleich hin bewegt, sondern erst dann eine Bewegung beginnen kann, nachdem z. B. die steuernde Hand bewusst gekoppelt ist und sich anschließend in eine andere Zone bewegt. Außerdem kann sich eine steuernde Hand dem Roboter auch senkrecht zur Messrichtung nähern und so gleich in eine Zone entsprechend geringerem oder mittlerem Abstand eintauchen, so dass sinnvoller Weise der Roboter bei geringem Abstand zur Erhöhung der Sicherheit sofort ausweicht, oder bei mittlerem Abstand sofort der Koppelvorgang durchgeführt wird.
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In einer weiteren Anwendungsform soll das Sensorsystem die laterale Position des Gegenstandes oder Körperteils in Bezug auf die verfahrbare Richtung erkennen. Diese Position soll in mindestens drei Zonen aufgeteilt werden. Die erste Zone entspricht der lateralen Position in Richtung der verfahrbaren Richtung, die dritte Zone entspricht der lateralen Position entgegen der verfahrbaren Richtung und die zweite Zone liegt in der Mitte dazwischen. Wenn nun der Abstand einen vorgegebenen Abstands-Referenzwert unterschreitet, dann soll sich das Robotersystem bei einem Ereignis in der ersten Zone in die verfahrbare Richtung und bei einem Ereignis in der dritten Zone entgegen der verfahrbaren Richtung bewegen. Die mittlere Zone dient z. B. zum Koppeln bzw. als Zone ohne Roboterbewegung.
Das Sensorsystem misst also den Abstand entlang einer Oberfläche oder imaginären Fläche und kann so die laterale Position in diskrete Bereiche oder alternativ auch ortsaufgelöst erkennen. Dadurch lässt sich eine Relativbewegung z. B. von einer steuernden Hand erkennen. Im Fall diskreter Sensoren kann eine Steuerung bereits mit drei Zonen recht robust umgesetzt werden. Es ist auch möglich, mit zwei Zonen auszukommen. Wenn ein Ereignis in beiden Zonen gleichzeitig detektiert wird, dann kann die Kopplung bzw. Ruheposition angenommen werden. Ein Ereignis in der einen oder andern Zone führt dann zu einer Bewegung in die eine oder andere Richtung. Diese Variante ist jedoch nicht so robust gegenüber Toleranzen und Schwankungen und führt leicht zu einer Pendelbewegung vor/ zurück.
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Die vorstehende Anordnung des Sensorsystems mit lateraler Positionserkennung hat den Vorteil, dass ein Robotersystem, Automat, Maschine oder Anlage mit großen Abmessungen, komplexerer Kontur oder nicht zugänglicher Frontfläche auch entlang einer einfacheren Oberfläche gesteuert werden kann.
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In den vorstehend beschriebenen Anwendungsfällen lässt sich die Robustheit z. B. gegen Pendeleffekte durch Berücksichtigung einer Hysterese steigern.
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In den meisten Anwendungen lässt sich eine Steuerung bereits mit einfachen und zahlenmäßig wenigen diskreten Sensoren umsetzen. Wenn mehrere Sensoren oder Sensorsysteme oder eine quasi-kontinuierliche Positionserkennung realisiert sind, dann wird dadurch die zweidimensional ortsaufgelöste Vermessung des Umfeldes zur weiteren Steigerung der Empfindlichkeit der räumlichen Steuerung des Roboters ermöglicht.
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Die Vorteile der hier vorgeschlagenen Verfahren sind, dass z. B. eine Handsteuerung nahe bei oder unmittelbar am Handlungsort erfolgen kann, statt an einem Steuergerät oder einer Konsole. Die Steuerung wird einfacher, direkter und intuitiver. Zudem eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten auch mit nicht oder nur einfach eingewiesenen Personen. Weiterhin kann sich das bewegliche System mit diesem Verfahren auch selbst nachregeln, wenn das räumliche Umfeld sich ändert oder selbst bewegt.
- 1 Mensch-Roboter-Kollaboration mit je einer Abstandsmessung auf zwei Seiten
- 2 Mensch-Roboter-Kollaboration mit einer Erkennung der lateralen Position
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1 zeigt ein Robotersystem 2 mit zwei Systemen von Abstandssensoren 5a und 5b, die auf zwei gegenüber liegenden Seiten des Roboterarms installiert sind. Diese können z. B. Hände 12 und 23 in Hin- und Rückrichtung der möglichen Roboterbewegung in der Bewegungsachse 15 erkennen. Die eine Hand 12 auf der einen Seite hat den Abstand 27 zum Roboterarm und die andere Hand 23 auf der anderen Seite hat den Abstand 28 zum Roboterarm.
Der Roboterarm ist somit mit den beiden Händen 12 und 23 eingefangen und das Robotersystem 2 muss einer Bewegung des Händepaars zwingend folgen. Bei einer Bewegung der Hände in Richtung 13 und 24 muss der Roboterarm in Richtung 3, und bei einer Bewegung der Hände in Richtung 14 und 25 muss der Roboterarm in Richtung 4 folgen. Idealer Weise fährt das Robotersystem mit einer entsprechenden Kennlinie zunächst in die Mitte des Abstandes 26 der beiden Hände, so dass die Abstände 27 und 28 gleich oder nahezu gleich groß sind. Das Robotersystem folgt dann dem Händepaar dadurch, dass bei einer Bewegung beider Hände der geringere der beiden Abstände 27 und 28 vergrößert wird, bis beide Abstände wieder ähnlich groß sind. So wird z. B. bei Handbewegungen in Richtungen 13 und 24 das Robotersystem von der sich nähernden Hand 12 in Richtung der sich entfernenden Hand 23 gezwungen, da der verringerte Abstand 27 und vergrößerte Abstand 28 erkannt werden und eine entsprechende Reaktion des Robotersystems ausgelöst wird. Mit einer entsprechenden Kennlinie lässt sich die angestrebte Zielposition des Robotersystems auch dadurch leichter einstellen, dass z. B. die Hand 23 stoppt und die Hand 12 dann effektiv mit einem Verstärkungsfaktor 0,5 feiner steuern kann.
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2 beschreibt ein Robotersystem 2 mit einem Sensorsystem 5c, das die laterale Position 44 der Hand 12 in Bezug auf die verfahrbare Richtung 3 oder 4 erkennt. In der Darstellung des Robotersystems 2 in der Zeichenebene soll die Hand 12 aus der Zeichenebene heraus (45) vor dem Roboterarm gelegen und die Abstandsmessung vom Roboterarm aus der Zeichenebene heraus auf die Hand 12 gerichtet sein. Die laterale Position 44 der Hand 12 soll in mindestens drei Zonen aufgeteilt werden. Die erste Zone 43 entspricht der lateralen Position in Richtung der verfahrbaren Richtung 3, die dritte Zone 41 entspricht der lateralen Position in Richtung 4 und die zweite Zone 42 liegt in der Mitte dazwischen. Wenn nun der Abstand einen vorgegebenen Abstands-Referenzwert unterschreitet, dann soll sich das Robotersystem bei Bewegung 38 der Hand 12 aus der mittleren Zone 42 heraus über den Grenzwert 40 in die erste Zone 43 in Richtung 3 und bei Bewegung 37 der Hand 12 über den Grenzwert 39 in die dritte Zone 41 in Richtung 4 bewegen. Die mittlere Zone 42 dient z. B. zum Koppeln bzw. als Zone ohne Roboterbewegung. Das Sensorsystem misst also den Abstand entlang einer Oberfläche 32 oder imaginären Fläche und kann so die laterale Position 44 in diskreten Bereichen oder alternativ auch ortsaufgelöst erkennen. Eine einfache Messung lässt sich bereits durch drei Sensoren 6c/ 7c, 6d/ 7d, 6e/ 7e z. B. mit Ultraschall-Sendern 6c, 6d und 6e und Empfängern 7c, 7d, 7e umsetzen.
