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Technisches Gebiet
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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, wobei 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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
| Mensch | | Roboter |
| | | |
| Nachteile | | Vorteile |
| Unzuverlässige Proyesskontrolle | | Integrierte
Przesskontrolle |
| Ergonomische
Einschränkungen | | Hanhaben
schwerer und gefährlicher
Bauteile |
| Ungenaues Positionieren | | Exaktes
Abfahren definierter Bahnen |
| Verlangt
anspruchsvolle Aufgaben | | Durchführen monotoner
Tätigkeiten |
| | | |
| Vorteile | | Nachteile |
| Hohe
Verfügbarkeit | | Störanfällig |
| Handhaben
komplexer Bauteile | | Handhabung
von komplexen Bauteilen schwierig |
| Durchführen komplexer
Fügevorgänge | | Toleranzbehaftetes
Fügen nicht möglich |
| Einfache
Magazinierung der Bauteile | | Definierte
Bereitstellung nötig |
| Aufgabenflexibel | | Starre
Abarbeitung der Aufgaben |
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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.
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Eine
Kooperation zwischen Mensch und Roboter untersuchen Laengle, Hoeniger
und Zhu mit dem KAMRO (Karlsruhe Autonomous Mobile Robot) und einem
Multiagentensystem zum dynamischen Schalten zwischen autonomen und
kooperierenden Operationen, siehe In Proceedings an MACS'2000, Vol. 2, Seiten 55–58, 2000.
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.
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Ein
System, welches den gesamten Arbeitsraum eines stationären Roboters überwacht,
untersuchen Ebert und Henrich [Dirk Ebert and Dominik Henrich, Safe
human-robot-cooperation: Problem analysis, system concept and fast
sensor fusion, In IEEE Conference an 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.
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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.
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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.
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In
einem Artikel des Erfinders, „Direkte
Mensch-Robotor-Kooperation",
erschienen in ZWF Montagetechnik, Jahrg. 96(2001) 11–12, S.616–620, der
als nächstkommender
Stand der Technik angesehen wird, wird eine Kooperationszelle beschrieben,
innerhalb der ein für
einen Menschen sicheres Zusammenarbeiten mit einem Roboter möglich sein
soll. Die räumlich
begrenzte Kooperationszelle wird von einem optischen Überwachungssystem
erfasst, wobei die Bewegungszustände
von Mensch und Roboter registriert werden. In Abhängigkeit
von erlaubten Bewegungszuständen
zwischen Mensch und Roboter wird der Roboter geeignet angesteuert.
Nichtsdestotrotz bedarf es von Seiten des Menschen für den Umgang
mit dem Roboter einer ausreichenden Erfahrung sowie einer einschlägigen Bewegungsroutine,
um effektiv mit dem Roboter zusammenarbeiten zu können.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäße Verfahrenskonzept
zur überwachten
Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass
aus einer Vielzahl unterschiedlicher abgespeicherter Bewegungsmuster
ein für
den Menschen individuelles Bewegungsmuster, das dem Menschen ein
Gefühl
an Arbeitssicherheit und Kontrolle über die Robotereinheit vermittelt,
ausgewählt
wird, wobei jedes 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 α1 ist
gemäß erster
Qualitätsstufe
größer als
der Abstand α2 gemäß zweiter
Qualitätsstufe.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist insbesondere unter Erfüllung
zweier Aspekte ausgeprägt,
um letztlich den hohen Anforderungen an Sicherheit und Ergonomie
zu entsprechen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
Umrüsfflexibilitäten zu einem
entscheidenden Zeitvorteil.
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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.
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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.
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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.