DE10320343A1

DE10320343A1 - Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen

Info

Publication number: DE10320343A1
Application number: DE2003120343
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl.-Ing. Thiemermann; Raphael Van Uffelen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: DE10320343B4

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen, zur Ausführung von, nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablaufsteuerung gesteuert wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Robotereinheit bei relativer Annäherung an den Menschen ein Bewegungsmuster aufgeprägt wird, das sich durch die Bewegungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit sowie dem Abstand der Robotereinheit relativ zum Menschen auszeichnet, DOLLAR A und dass das Bewegungsmuster in Abhängigkeit von dem Menschen so gewählt wird, dass dem Menschen ein Gefühl an Arbeitssicherheit und Kontrolle über die Robotereinheit vermittelt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen, zur Ausführung von, nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablaufsteuerung gesteuert wird.

Im Bereich der industriellen Produktion wird die Wirtschaftlichkeit heutzutage nicht mehr allein durch die Produktivität, sondern in zunehmenden Maße auch durch die Flexibilität der Produktion bestimmt. Der Markt verlangt nach einer bedarfsorientierten Produktion mit geringen Stückzahlen und einer großen Produktvielfalt. Um noch wirtschaftlich produzieren zu können wird von den eingesetzten Maschinen eine immer einfachere und kürzere Einrichtungs- und Umrüstungsprozedur verlangt. Die Maschinen müssen dazu sehr flexibel und anpassbar aber auch einfach und schnell zu programmieren sein. Um die Spezialisierung und somit die Komplexität der Maschinen in Grenzen zu halten, entsteht der große Trend, den Menschen wieder in den Produktionsprozess zu integrieren und so für die nötige Flexibilität zu sorgen.

Das Ziel ist hierbei, die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu vereinen, um die jeweiligen Schwächen aufzuheben und die jeweiligen Stärken miteinander zu verbinden. Um die sensorischen Fähigkeiten sowie die Flexibilität und Geschicklichkeit des Menschen mit der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Kraft des Roboters zu kombinieren, bedarf es Systeme, welche die noch übliche strikte Trennung von Mensch und Roboter aufheben. Solche OTS-Systeme (Systeme Ohne Trennende Schutzeinrichtung) befinden sich gerade noch auf der Schwelle zwischen Entwicklung und Einsatz, werden aber bald Einzug in den Produktionsalltag finden.

Die europäische Vorschrift DIN EN 775 für Industrieroboter Sicherheit enthält eine Anleitung für Sicherheitsüberlegungen bei der Gestaltung und dem Betrieb von Robotersystemen. Wesentlich hierbei sind die Definitionen für Schutzeinrichtungen, welche in trennende und berührungslos trennende Schutzeinrichtungen unterteilt werden.

Durch diese Systeme wird der Zugang von Personen zum Arbeitsraum des laufenden Roboters verhindert. Eine offene Verriegelung oder eine betätigte berührungslose Schutzeinrichtung bewirken den sofortigen Stop des Roboters und der restlichen Anlage. Eine Interaktion zwischen Mensch und Roboter im Betrieb findet nur in speziell abgesicherten Bereichen statt. Meistens sind dies Einlege- und Ausladestationen zu Zwecken des Materialflusses.

Die spezifischen Fähigkeiten vom Menschen sowie vom Roboter sind in der üblichen Aufteilung von manueller und automatischer Produktion deutlich zu erkennen. Der Roboter hat den Menschen vor allem dort verdrängt, wo seine hohe Produktivität eingesetzt werden kann. Ebenso in Bereichen, in denen eine hohe Positioniergenauigkeit gefragt ist oder schwere oder heiße Teile gehandhabt werden müssen, hat der Roboter sein Einsatzgebiet gefunden. Und dennoch findet man viele Bereiche, in denen, trotz moderner und billiger Robotertechnik, die Produktionsabläufe manuell erfolgen. Gerade bei kleinen Stückzahlen, hoher Produktvielfalt, Variantenreichtum, kleinen Losgrößen und in Fällen in denen im Allgemeinen eine hohe Flexibilität verlangt wird, lohnt sich der Aufwand einer Automatisierung oft nicht. Selbst wenn es gilt komplexe Bauteile handzuhaben oder wenn Fügevorgänge sehr toleranzbehaftet und schwierig durchzuführen sind, ist eine manuelle Produktion gegenüber kostenintensiver Robotertechnik vorzuziehen. So vermag es der Mensch intelligent auf Störungen der Anlage zu reagieren und diese oft selbst und schnell zu beheben. Eine Störung in der automatischen Produktion führt hingegen zumeist zum Stilllegen der gesamten Anlage, was mit langen Ausfallzeiten und hohen Kosten verbunden ist.

Stellt man die Vor- und Nachteile von Mensch und Roboter gegenüber lässt sich feststellen, dass für jeden Nachteil des einen ein entsprechender Vorteil beim Kooperationspartner zu finden ist.

Bei einer optimalen Kooperation zwischen Mensch und Roboter könnten grundsätzlich die jeweiligen Nachteile kompensiert und die jeweiligen Vorteile kombiniert werden. In dem Bereich der OTS-Systeme gibt es verschiedene Entwicklungen, die auf die eine oder andere Art versuchen, die Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu vereinen. Einige davon finden Ihre Anwendung auch im Bereich der Montagetechnik.

Die von Colgate und Peshkin [J. Edward Colgate and Michael Peshkin. Cobots work with people. IEEE Robotics & Automation Magazine, 3, December 1996] entwickelten Cobots sowie die von Forcinio [4] beschriebenen IADs (Intelligent Assisted Devices) sind Roboter, die zu einer direkten Kooperation mit dem Menschen in einem gemeinsamen Arbeitsbereich dienen sollen. Sie führen aber keine selbstständigen Bewegungen aus sondern geben dem Bediener eine feste Führungsrichtung vor bzw. bieten ihm zusätzlich noch eine Kraftverstärkung an. Eine andere Form der Kooperation untersucht Wörn [6] mit dem KAMRO (Karlsruhe Autonomous Mobile Robot) und einem Multiagentensystem zum dynamischen Schalten zwischen autonomen und kooperierenden Operationen. Der KAMRO bearbeitet normalerweise vollautomatisch Pick&Place-Aufgaben. Wenn er unter bestimmten Bedingungen seine Aufgabe nicht mehr autonom lösen kann, schaltet er in den semiautomatischen Modus und kann sich so vom Menschen helfen lassen. Der Mensch kann ihn dann über Kraftrückkopplung führen während der KAMRO beispielsweise das Gewicht kompensiert. Bei diesem System handelt es sich um einen mobilen Roboter, der hauptsächlich dazu ausgelegt ist, Aufgaben autonom zu erledigen und erst im Problemfall den Menschen zur Hilfe hinzuzieht.

Ein System, welches den gesamten Arbeitsraum eines stationären Roboters überwacht, untersuchen Ebert und Henrich [Dick Ebert and Dominik Henrich, Safe human-robot-cooperation: Problem analysis, system concept and fast sensor fusion, In IEEE Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems, 2001 ]. Der Arbeitsraum des Roboters wird hierbei von Schwarz-Weiß-Kameras erfasst, deren Bilder mittels Rückprojektion und Look-Up-Tabellen verarbeitet werden, wodurch auf eine Roboterkonfigurationen geschlossen werden kann, bei denen Kollisionen auftreten würden. Mit dieser Kenntnis wird eine kollisionsfreie Bahn für den Bewegungsablauf des Roboters generiert. Dieses System soll das sichere Arbeiten von Mensch und Roboter im selben Arbeitsraum ermöglichen, stellt aber keine Ansprüche an die direkte Zusammenarbeit zwischen ihnen.

Heiligensetzer [Peter Heiligensetzer, Sichere Mensch-Roboter Kooperation für Roboter im niedrigen Traglastbereich, In Dr. Matthias Umbreit, Paul Ross, OTS-Systeme in der Robotik, Roboter Ohne Trennende Schutzeinrichtungen, volume 1. Bayerisches Kompetenznetzwerk für Mechatronik, Herbert Utz Verlag Wissenschaft, 2002] untersucht ein Sicherheitskonzept anhand des Industrieroboters KUKA KR3 für den niedrigen Traglastenbereich. Ein System aus der Kombination eines kapazitiven Näherungsschalters, eines taktilen Flächensensors und der Überwachung der Motorströme kontrolliert die direkte Umgebung des Roboters. Durch dieses Sensorsystem kann die Geschwindigkeit des Roboters vor einem physischen Kontakt mit einem Objekt auf ein Minimalmaß reduziert sowie die maximale Klemmkraft des Roboters auf 400N beschränkt werden, um so eine Verletzungsgefahr vermeiden zu helfen.

Die entwickelte flexible Arbeitszelle der Fa. Reis Robotics [T. Morhard, Realisierung eines OTS- Systems bei einem Zulieferer der Kunststoffindustrie, In OTS- Systeme in der Robotik, München, 25. Juni 2002] erlaubt dem Menschen von einer Seite Zugang zu einem gemeinsamen Arbeitsbereich. Die Anwesenheit eines Menschen am Zugang zum gemeinsamen Arbeitsbereich wird durch eine Anmeldeprozedur überwacht. Ist ein Mensch anwesend verfährt der Roboter innerhalb des gemeinsamen Arbeitsbereiches nur noch mit der vorgeschrieben reduzierten Geschwindigkeit von 250 mm/s, welche von einer sicheren Steuerung garantiert wird. Die sehr geringe Verfahrgeschwindigkeit von 250 mm/s im gemeinsamen Arbeitsbereich schränkt den Nutzen der Zusammenarbeit allerdings hauptsächlich auf das Zuführen und Entnehmen von Bauteilen ein. Der Roboter führt somit seine eigentliche Aufgabe meistens fern vom gemeinsamen Arbeitsbereich unter normaler Betriebsgeschwindigkeit aus.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von den vorstehend bezeichneten bekannten Robotersystemen gilt es, ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen zur Ausführung von nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen, gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablauf-Steuerung gesteuert wird, derart anzugeben, dass eine gefahrlose Kooperation zwischen Roboter und Mensch insbesondere für den Menschen gefahrlos möglich sein soll, wobei zugleich das Robotersystem in Bezug auf Rentabilität und Produktivität möglichst keine Herabsetzung durch die Gegenwart des Menschen erfahren soll. Selbst wenn die durchschnittliche Verfahrgeschwindigkeit der Robotereinheit gegenüber vollautomatischen Systemen im Durchschnitt unvermeidbar geringer ist, soll es dennoch möglich sein, durch eine verbesserte Integration von Mensch und Maschine eine erhöhte Produktivität des Gesamtsystems zu erreichen. Ferner soll das Verfahren schnell und kostengünstig auch bei bestehenden Robotersystemen implementierbar sein und überdies eine erhöhte Flexibilität in punkto Produktionsumrüstzeiten bieten. Im Bereich der Inbetriebnahme derartiger Systeme bedeutet dies insbesondere, dass die Robotereinheit nicht aufwendiger zu programmieren sein soll, als es mit Standardwerkzeugen des jeweiligen Herstellers möglich ist, wobei der Gestaltung des Arbeitsablaufes wiederum möglichst viele Freiheiten gelassen werden soll. Insbesondere gilt es für den mit der Robotereinheit in Kooperation tretenden Menschen ein sicheres Arbeitsgefühl zu schaffen. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang daher die Arbeitsergonomie, die das Sicherheitsempfinden des Menschen in entscheidendem Maße positiv beeinflussen soll.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich im wesentlichen durch die gezielte Aufprägung eines Bewegungsmusters für die Bewegungskinematik der Robotereinheit wenigstens im Falle einer relativen Annäherung zwischen der Robotereinheit und dem Menschen dergestalt aus, dass das Bewegungsmuster die Bewegungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit sowie den Abstand der Robotereinheit relativ zum Menschen in Abhängigkeit des Menschen bestimmt.

Das jeweilige Bewegungsmuster, das dem Bewegungsverhalten bzw. der Kinematik der Robotereinheit aufgeprägt wird, wird in Abhängigkeit von dem Menschen derart gewählt, dass dem Menschen ein Gefühl an Arbeitssicherheit und Kontrolle über die Robotereinheit vermittelt wird. Das erfindungsgemäße Konzept geht von der Überlegung aus, das Bewegungsverhalten der Robotereinheit dem jeweiligen Menschentypus, der mit der Robotereinheit zusammenarbeitet, anzupassen. Befindet sich beispielsweise eine mit der Robotereinheit ungeübte und vom Naturell her eher vorsichtig und scheu veranlagte Person der Robotereinheit zur Kooperation gegenübergestellt, so gilt es insbesondere das dynamische Annäherungsverhalten der Robotereinheit relativ zur Person mit langsamer Annäherungsgeschwindigkeit, sowie einer nicht unmittelbar, zielgerichtet auf die Person orientierte Bewegungsrichtung und schließlich unter strenger Einhaltung eines vorgebbaren Sicherheitsabstandes vorzunehmen. Handelt es sich hingegen um eine mit der Robotereinheit vertraute, routiniert und geschickt arbeitende Person, so vermag auch eine erhöhte Bewegungsgeschwindigkeit, eine direktere, auf die Person gezielte Annäherungsrichtung sowie ein herabgesetztes Abstandsmaß zwischen Mensch und Roboter eine diesbezügliche Person in ihrem Wohlbefinden während der Kooperation mit der Robotereinheit nicht zu beeinträchtigen.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen im wesentlichen vier Ebenen zugrunde, die zugleich auch Hierarchie- oder Prioritätsebenen darstellen. Diese werden im einzelnen in einer Reihenfolge abnehmender Priorität nachfolgend wie folgt bezeichnet:

1. Programmablauf-Steuerung,
2. Ergonomieüberwachung,
3. Kollisionsüberwachung,
4. Manipulation.

Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Programmablaufsteuerung der Robotereinheit dar, in der die einzelnen Bewegungen und Tätigkeiten des Roboters sowie auch die des in Kooperation mit dem Roboter tretenden Menschen starr abgelegt sind. Da sich der Mensch und die Robotereinheit während der Kooperation ständig annähern, werden Regelalgorithmen über ein Überwachungssystem entwickelt, das festlegt, wie der Roboter auf den jeweiligen Menschen reagieren soll. Die Entwicklung von Regelalgorithmen führen zu einem Bewegungsmuster, das der Kinematik der Robotereinheit, insbesondere im Falle einer relativen Annäherung zum Menschen aufgeprägt wird.

Damit der Mensch während der Kooperation ein Gefühl an Sicherheit und Kontrolle erhält, wird die Bewegung des Roboters nach ergonomischen Gesichtspunkten im Rahmen der Ergonomieüberwachung geregelt.

Besteht hingegen eine drohende Verletzungsgefahr für den Menschen, so wird dies von der Kollisionsüberwachung erkannt, die den maximalen Bremsweg des Roboters berücksichtigt. Falls der Arbeitsablauf in irgend einer Weise gestört werden sollte, muss der Mensch, als oberste Instanz, jederzeit die Möglichkeit haben, auf die Robotereinheit zu reagieren, d.h. die Bewegungen und den Arbeitsablauf des Roboters zu unterbrechen und bei Bedarf zu manipulieren, was der an letztgenannter Stelle in den Prioritätsebenen, der Manipulation, entspricht.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere unter Erfüllung zweier Aspekte ausgeprägt, um letztlich den hohen Anforderungen an Sicherheit und Ergonomie zu entsprechen.

Zum einen wird die zulässige Bewegungsgeschwindigkeit der Robotereinheit kontinuierlich bestimmt und geregelt, um die größte Gefährdung, die von der Robotereinheit ausgeht, nämlich ihre kinetische Energie, entsprechend zu reduzieren. Es wird dafür Sorge getragen, dass sich die Robotereinheit dem Menschen gegenüber derart verhält, dass sich der Mensch sicher fühlt und das Gefühl der absoluten Kontrolle über den Roboter zu jedem Zeitpunkt der Kooperation empfindet. So schätzt der Mensch seine eigene Sicherheit in Abhängigkeit des Abstandes zum Roboter, der Verfahrgeschwindigkeit sowie von der Verfahrrichtung des Roboters ein. Basierend auf diesen Kriterien wird in erster Linie die Verfahrgeschwindigkeit des Roboters in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung und dem Abstand zum Menschen angepasst.

Auch kann die Verfahrrichtung entsprechend geregelt werden, die sich durch den Winkel zwischen einer virtuellen Geraden durch die Koordinaten des Menschen und der Robotereinheit sowie dem aktuellen Geschwindigkeitsvektor des Roboters ergibt. Zudem ist es vorteilhaft den jeweiligen Abstand zwischen Robotereinheit und Mensch in Abhängigkeit des Verhaltens des Menschen zu regeln.

In einer einfachsten Ausführungsform ist es für einen Menschen möglich, das Bewegungsverhalten bzw. das aufzuprägende Bewegungsmuster der Robotereinheit in drei vorgegebenen, unterschiedlichen Qualitätsstufen, "langsam", "mittel" und "schnell" vorzuwählen, je nach dem, ob der Mensch noch keine Erfahrungen mit dem Umgang des Roboters hat, geringfügige oder aber sehr große Erfahrungen. Mit Hilfe eines den unterschiedlichen Bewegungsmustern zugrundeliegenden Regelalgorithmus, das vorzugsweise auf der Basis eines Fuzzy-geregelten Systems arbeitet, werden dem Menschen angepasste Bewegungscharakeristika der Eigenbewegung der Robotereinheit aufgeprägt.

Auf diese Weise kann das Bewegungsmuster individuell auf den Menschen vorab eingestellt werden. Eine erweiterte Verfahrensalternative sieht vor, das Verhalten des Menschen während der Kooperation mit der Robotereinheit zu erfassen, dies erfolgt beispielsweise mit einer optischen Kameraeinheit, so dass auf der Grundlage des aktuellen menschlichen Verhaltens unter Verwendung eines Neuro-Fuzzy-Systems ein individuelles Bewegungsmuster für die Robotereinheit generiert wird. Dies erfolgt durch Vergleich der erfassten Bewegungsinformationen des Menschen mit Kennlinienfelder, um letztlich dem aufzuprägenden Bewegungsmuster zugrundeliegende Regelalgorithmen zu generieren.

Der zweite Aspekt nach dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt ist, betrifft die zuverlässige Vermeidung von Kollisionen zwischen der Robotereinheit und dem Menschen. Im Rahmen der sogenannten Kollisionsüberwachung werden sich anbahnende Kollisionssituationen erfasst und entsprechend bewertet. Besteht beispielsweise durch die aktuelle Bewegungsdynamik der Robotereinheit sowie der des Menschen eine Gefahr der Kollision zwischen der Robotereinheit mit dem Kopf oder dem Rumpf des Menschen oder besteht überdies die Gefahr des Scherens bzw. Quetschens von jeglichen Körperteilen, insbesondere der Hände und Arme, durch die Robotereinheit, so gilt es, der Robotereinheit eindeutige und scharfe Grenzen zu setzen, die vom maximalen Bremsweg der Robotereinheit sowie der Verzögerungszeit innerhalb des gesamten Systems abhängen, um letztlich die drohenden Kollisionen vollständig zu vermeiden.

In diesem Zusammenhang wird die, Position des Menschen innerhalb des Arbeitsbereiches, innerhalb dem auch die Robotereinheit Zugang hat, mit Hilfe eines bestimmten Erfassungssystems, beispielsweise mit Hilfe einer Überwachungskamera oder geeigneter Transpondersysteme, durch die Lage der Hände bzw. Arme sowie des Kopfes und des Rumpfes bestimmt. Insbesondere die Hände sind im Unterschied zu Kopf und Rumpf des Menschen sehr schnell beweglich und können im Rahmen eines sogenannten Reaktionsgreifens mit bis zu 2 m/s einerseits in eine durch Scher- oder Quetschgefahr gekennzeichnete Gefahrenzone gelangen, aber ebenso schnell aus diesem Bereich wieder zurückgezogen werden. Mit Ausnahme der vorstehend bezeichneten Gefahrensituationen gestattet das im Rahmen der Kollisionsüberwachung der Robotereinheit zugrunde gelegte, Bewegungsmuster durchaus „sanfte" Kollisionen zwischen Händen und Robotereinheit, zumal die Hände den Kollisionsstoß gut abfedern können, sofern sich der Stoßimpuls für den Menschen in einem ergonomisch verträglichen Rahmen bewegt.

Anders ist eine Kollision mit den Händen jedoch im Falle des vorstehend erwähnten Quetschens oder Scherens zu werten, in dem eine entsprechende Ausweichmöglichkeit der Hände nicht mehr gegeben ist, weswegen in diesem Fall auf alle Fälle eine Kollision zu verhindern ist. In einem derartigen Fall, gleichsam der Kollision zwischen Robotereinheit und Kopf bzw. Rumpf des Menschen gilt es, die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters im Rahmen der technisch möglichen Grenzen abrupt auf Null zu reduzieren.

Während der gesamten Abbremsphase der Robotereinheit wird angenommen, dass sich die Hände, Kopf und Rumpf mit maximaler Geschwindigkeit bewegen könnten. Die Position, in welcher die Robotereinheit letztlich zum Stillstand kommt, sowie die Bremsdauer sind aus der aktuellen Position und Achsgeschwindigkeit der Robotereinheit bestimmbar.

Die Kollisionsüberwachung übernimmt daher die Aufgabe der Überprüfung, ob zum einen die Hände der Gefahr eines Scherens oder Quetschens oder der Kopf bzw. der Rumpf des Menschen der Gefahr eines Stoßes ausgesetzt sind und ob sich diese Körperteile in der Zeit, welche sich aus der Gesamtsystemverzögerung und der Zeit zum Abbremsen aller Achsen zusammensetzt, in den Aktions- bzw. Wirkungsbereich der Robotereinheit gelangen können. Ist dies der Fall, so wird der Roboter solange abgebremst, im Extremfall auf die Geschwindigkeit Null, bis die Gefahr überwunden ist.

Als letztgeordnete Hierarchiestufe von den insgesamt vier eingangs erwähnten Hierarchie- bzw. Prioritätsebenen, durch die die Kooperation zwischen der Robotereinheit und dem Menschen gesteuert werden, dient die Manipulationsmöglichkeit der Robotereinheit durch den Menschen.

Der Mensch stellt grundsätzlich die oberste Überwachungsinstanz dar und hat letztlich die Verantwortung über das Geschehen innerhalb des Arbeitsbereiches. Aus diesem Grunde hat der Mensch jederzeit, d.h. im normalen Programmmodus, die Möglichkeit, in den Arbeitsablauf der Robotereinheit einzugreifen und ihn derart zu manipulieren, dass auf jede mögliche Störung entsprechend reagiert werden kann.

So ergeben sich aus einer Analyse sowie Klassifizierung der Fehlverhalten der Robotereinheit, dem Menschen sowie auch der Kooperationsaufgabe selbst unterschiedliche Manipulationsmöglichkeiten. Zum einen kann die Robotereinheit im laufenden Betrieb jederzeit angehalten werden, indem der Mensch die Robotereinheit in den Betriebsmodus „Pause" versetzt. In diesem Betriebs-Mode verharrt die Robotereinheit im sogenannten Standby-Mode in ihrer aktuellen Position und kann durch erneute Aktivierung jederzeit wieder in Gang gesetzt werden.

Bleibt die Robotereinheit an einer ungünstigen Stelle stehen, kann die Robotereinheit aus dem Betriebs-Mode „Pause" durch den Betriebs-Mode „Ausweichen" dazu gezwungen werden, von der aktuellen Position auf eine neutrale Position bspw. außerhalb des gemeinsamen Arbeitsraumes auszuweichen. Während des Betriebsmodus „Pause" ist es u.a. möglich, das jeweils im Einsatz befindliche Prozesswerkzeug an der Robotereinheit manuell zu bedienen, beispielsweise Greifer öffnen oder Greifer schließen, um beispielsweise ein defektes Bauteil auszutauschen. Ebenso kann das Prozesswerkzeug ausgetauscht oder gewechselt werden. Hierdurch können Umrüstzeiten erheblich reduziert werden.

Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die pausierte Bewegung der Robotereinheit jederzeit wieder aufgenommen werden, indem die Robotereinheit durch den Betriebs-Mode „Play" wieder in Aktion versetzt wird. Ist jedoch die Fortsetzung des aktuellen Prozesses unerwünscht, weil beispielsweise das Bauteil anstatt von der Robotereinheit von dem Werker bzw. Menschen schon eingesetzt worden ist oder die Robotereinheit den vorherigen Prozess zu wiederholen hat, kann der Mensch aktuell zwischen einzelnen Prozessen vor- sowie zurückspringen. Falls es jedoch zu einer nicht behebbaren Situation kommen sollte, kann der Arbeitsablauf jederzeit auf den Anfang zurückgesetzt werden, beispielsweise durch den Betriebs-Mode „Reset".

Zur Information des Menschen über den jeweiligen Zustand der Robotereinheit ist zudem eine Visualisierung der einzelnen Betriebs-Modii sowie die nächsten, geplanten Arbeitsschritte der Robotereinheit sowie auch seine Erwartungen an die Handlungen des Menschen, wie beispielsweise Arbeitsschritt des Menschen zur Behebung einer Störung, notwendig und vorgesehen, beispielsweise im Wege einer entsprechenden Display-Einheit, die zugleich als Kommunikationsmittel in Form eines Touch-Screens dienen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber an sich bekannten Verfahren zur Kooperation zwischen einem Menschen und einer Robotereinheit auf, die sich insbesondere in Bezug auf die Kriterien Kosten, Zeit und Qualität der Kooperation auswirken.

So ermöglichst das erfindungsgemäße Verfahren bezüglich der Kosten eine Mensch-Roboter-Kooperation, die eine absolut flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Robotereinheit, die sogenannte angepasste Automatisierung ermöglicht und einen optimalen Kompromiss aus Personal- und Investitionskosten darstellt.. Für die Robotereinheit bedeutet dies, dass die Robotereinheit lediglich Tätigkeiten durchführt, die leicht automatisierbar sind, was wiederum zu vereinfachten Prozesswerkzeugen, einfacher Roboterprogrammierung und Materialbereitstellung führt.

Aus der gefahrlosen Teilung eines Arbeitsplatzes zwischen Mensch und Robotereinheit ergeben sich darüber hinaus kompaktere Montagelinien, die zu einer erhöhten Kapazitätsdichte führen. Insbesondere in der Automobil-Montage führt dies zu verkürzten Montagelinien und vor allem weniger Taktverlusten aufgrund einer sicherheitstechnischen Trennung zwischen Mensch und Roboter, was ein immenses Einsparungspotential darstellt.

Ebenso stellt bei hochautomatisierten Roboterzellen das zeitaufwendige Beheben von Störsituationen ein beträchtliches Problem dar. Erst durch die Mensch-Roboter-Kooperation ist es möglich, die Sicherheitsräume zu betreten, ohne dass der Roboter den Automatikmodus zu verlassen hat. Nach Behebung einer entsprechend auftretenden Störung setzt die Robotereinheit ihre Tätigkeit an der gleichen Programmstelle fort, was insgesamt zu einer deutlich höheren Verfügbarkeit führt. Auch führen höhere Umrüstflexibilitäten zu einem entscheidenden Zeitvorteil.

Bezüglich der Qualitätssicherung ergibt sich die Möglichkeit, jeden Prozess, der eine Qualitätskontrolle verlangt, der Robotereinheit zu übertragen. Ein weiterer Aspekt ist, dass durch die Kooperation und das abwechselnde Bearbeiten eines Produktes eine gegenseitige Kontrolle von Mensch und Roboter stattfindet, aus der eine verbesserte Qualitätskontrolle, vor allem des Menschen, resultiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits an einer Versuchsanlage erfolgreich getestet worden, die eine autonome Einheit zur Montage von Baugruppen und kompletten Produkten umfasst, bei der sich Mensch M und Robotereinheit R gegenüberstehen und sich das Montageobjekt W für den Zeitraum der gemeinsamen Bearbeitung stationär in der Mitte zwischen Mensch M und Robotereinheit R befindet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beide Interaktionspartner, d.h. Mensch und Robotereinheit, uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt haben und sich dennoch frei bewegen können.

Eine derartige Situation ist aus der einzigen Figur in Form einer fotografischen Aufnahme zu entnehmen. Bei der Zusammenarbeit werden die jeweiligen spezifischen Fähigkeiten der Robotereinheit R sowie des Menschen M optimal ausgenutzt. Als Sensorik zur Arbeitsraumüberwachung dient ein Bildverarbeitungssystem, das die Positionsinformationen des Menschen liefert. Über die Robotersteuerung werden die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen der Robotereinheit erfasst. Auf Basis dieser Informationen können erfolgreich die Kollisions- und Ergonomieüberwachung durchgeführt werden. Um das Bewegungsverhalten der Robotereinheit zu manipulieren, die Regeleinstellungen durchzuführen und um die Betriebszustände der Robotereinheit erkennen zu können, wird als Mensch-Maschine-Schnittstelle ein Touch-Screen mit entsprechenden Bedienungs- und Meldungsfunktionen in die Anlage integriert, wodurch der Mensch die Funktion der obersten Überwachungsinstanz erhält.

Claims

Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen, zur Ausführung von, nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablaufsteuerung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Robotereinheit bei relativer Annäherung an den Menschen ein Bewegungsmuster aufgeprägt wird, das sich durch die Bewegungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit sowie dem Abstand der Robotereinheit relativ zum Menschen auszeichnet, und dass das Bewegungsmuster in Abhängigkeit von dem Menschen so gewählt wird, dass dem Menschen ein Gefühl an Arbeitssicherheit und Kontrolle über die Robotereinheit vermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Programmablaufsteuerung die von der Robotereinheit und von dem Menschen durchzuführenden Handhabungsschritte abgespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Mensch in Bezug auf seine räumliche Position und seinen kinematischen Bewegungszustand mit Hilfe einer auf den gemeinsamen Arbeitsraum ausgerichteten Erfassungseinheit erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer Vielzahl unterschiedlicher abgespeicherter Bewegungsmuster ein für den Menschen individuelles Bewegungsmuster ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 4; dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsmuster in wenigstens einer ersten und zweiten Qualitätsstufe vorliegen, die sich in folgender Weise voneinander unterscheiden: – die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines ersten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v₁ gemäß erster Qualitätsstufe ist kleiner als die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines zweiten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v₂ gemäß zweiter Qualitätsstufe, – die Bewegungsrichtung, die durch einen Winkel α zwischen einer Verbindungsgeraden, die den Menschen und die Robotereinheit an jeweils ausgewählten Stellen verbindet, und dem Geschwindigkeitsvektor der Robotereinheit beschrieben wird, weist gemäß erster Qualitätsstufe einen größeren Winkel α₁ auf als im Falle der zweiter Qualitätsstufe mit α₂ und/oder – der Abstand a₁ ist gemäß erster Qualitätsstufe größer als der Abstand α₂ gemäß zweiter Qualitätsstufe.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Erfassungseinheit das Bewegungsverhalten des Menschen erfasst wird, und dass unter Zugrundelegung des von dem Menschen erfassten Bewegungsverhalten mit Hilfe eines neuronalen Fuzzy-Systems in-situ das Bewegungsmuster generiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsmuster nach ergonomischen Gesichtspunkten ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer Kollision zwischen Mensch und Robotereinheit die Robotereinheit unter Berücksichtigung eines aktuellen Abbremsweges der Robotereinheit sowie einer maximalen Eigenbewegungsgeschwindigkeit des Menschen die Robotereinheit solange abgebremst oder zum Stillstand gebracht wird, bis eine Kollisionsgefahr auszuschließen ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermeidung der Kollision im Falle einer Quetsch- oder Schergefahr für den Menschen oder im Falle einer Kollision zwischen Robotereinheit mit Kopf oder Rumpf des Menschen durchgeführt wird, und sollte keine Kollisionsgefahr im vorstehenden Sinne bestehen, so ermöglicht die Robotereinheit eine Berührung mit den Händen des Menschen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotereinheit durch den Menschen über ein Eingabemittel in einen Stand-by-Betriebsmode überführt wird, in dem die Robotereinheit am Ort, an dem sich die Robotereinheit befindet während das Eingabemittel betätigt wird, in Stillstand gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotereinheit über das Eingabemittel schrittweise gemäß des Programmablaufes in zurückliegende oder in künftige Bewegungszustände überführt wird.