DE10320343B4 - Method for monitored cooperation between a robot and a human unit - Google Patents

Method for monitored cooperation between a robot and a human unit

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DE10320343B4
DE10320343B4 DE2003120343 DE10320343A DE10320343B4 DE 10320343 B4 DE10320343 B4 DE 10320343B4 DE 2003120343 DE2003120343 DE 2003120343 DE 10320343 A DE10320343 A DE 10320343A DE 10320343 B4 DE10320343 B4 DE 10320343B4
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robot unit
robot
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Stefan Dipl.-Ing. Thiemermann
Raphael Van Uffelen
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung
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    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1674Programme controls characterised by safety, monitoring, diagnostic
    • B25J9/1676Avoiding collision or forbidden zones
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/39Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39097Estimate own stop, brake time, then verify if in safe distance
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    • G05B2219/40Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40202Human robot coexistence

Abstract

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, A process for the monitored cooperation between a robot unit and a human being, to execute, to be carried out after a predeterminable program flow handling steps within an accessible by both the robot unit, as well as man-common working space, wherein the robot unit of a handling steps defining program flow control is controlled, wherein the robot unit in relative proximity to the human a movement pattern is impressed, which is characterized by the movement direction, moving speed and distance of the robot unit relative to man,
dadurch gekennzeichnet, 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: characterized in that an individual for the human movement patterns, which gives the person a sense of work safety and control of the robot unit, is selected from a wide range of stored movement patterns, each movement pattern exist in at least a first and second quality level that is in the following differ from one another way:
die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines ersten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 1 gemäß erster Qualitätsstufe ist kleiner als die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines zweiten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 2 ... the moving speed or the moving speed lying within a first spectrum moving speed v 1 according to the first quality level is less than the moving speed or the moving speed lying within a second spectrum moving speed v 2 ...

Description

  • Technisches Gebiet technical field
  • 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. The invention relates to a process for the monitored cooperation between a robot unit and a human being, to execute, to be carried out after a predeterminable program flow handling steps within an accessible by both the robot unit, as well as man-common working space, wherein the robot unit of a defining the handling steps of the program sequence control wherein the robot unit is impressed upon relative approach to the human a movement pattern, which is characterized by the movement direction, moving speed and distance of the robot unit relative to the human is controlled.
  • Stand der Technik State of the art
  • 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. In industrial production, the economy today is no longer determined solely by productivity, but increasingly also by the flexibility of production. Der Markt verlangt nach einer bedarfsorientierten Produktion mit geringen Stückzahlen und einer großen Produktvielfalt. The market demands an on-demand production with small quantities and a wide variety of products. Um noch wirtschaftlich produzieren zu können wird von den eingesetzten Maschinen eine immer einfachere und kürzere Einrichtungs- und Umrüstungsprozedur verlangt. To be able to still produce a profit basis requires an ever simpler and faster set-up and changeover procedure of the machines used. Die Maschinen müssen dazu sehr flexibel und anpassbar aber auch einfach und schnell zu programmieren sein. The machines have to be very flexible and adaptable as well as quick and easy to program. 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. To keep the specialization and thus the complexity of the machines within limits, the big trend to integrate people back into the production process and to provide the necessary flexibility arises.
  • 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. The goal is to combine the specific abilities of humans and robots to pick up the respective weaknesses and to combine the respective strengths of each other. 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. To combine the sensory capabilities, flexibility and skill of the people with the accuracy, speed and force of the robot, we need systems that pick up the customary strict separation of humans and robots. 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. Such OTS systems (systems without Separating protective equipment) are just on the threshold between the development and use, but will soon be found in the everyday production feeder.
  • Die europäische Vorschrift DIN EN 775 für Industrieroboter Sicherheit enthält eine Anleitung für Sicherheitsüberlegungen bei der Gestaltung und dem Betrieb von Robotersystemen. The European standard DIN EN 775 for industrial robots safety contains instructions for safety considerations in the design and operation of robotic systems. Wesentlich hierbei sind die Definitionen für Schutzeinrichtungen, welche in trennende und berührungslos trennende Schutzeinrichtungen unterteilt werden. The essential factor definitions for modular units, which are divided into dividing and non-contact guards are.
  • Durch diese Systeme wird der Zugang von Personen zum Arbeitsraum des laufenden Roboters verhindert. Through these systems, accessibility for persons prevents the working space of the current robot. Eine offene Verriegelung oder eine betätigte berührungslose Schutzeinrichtung bewirken den sofortigen Stop des Roboters und der restlichen Anlage. An open lock or a non-contact protective device operated to cause immediate stop of the robot and the rest of the system. Eine Interaktion zwischen Mensch und Roboter im Betrieb findet nur in speziell abgesicherten Bereichen statt. An interaction between humans and robots in operation only takes place in high-security areas. Meistens sind dies Einlege- und Ausladestationen zu Zwecken des Materialflusses. These are usually loading and Ausladestationen for purposes of material flow.
  • Die spezifischen Fähigkeiten vom Menschen sowie vom Roboter sind in der üblichen Aufteilung von manueller und automatischer Produktion deutlich zu erkennen. The specific skills of man and the robot can be clearly seen in the usual division of manual and automatic production. Der Roboter hat den Menschen vor allem dort verdrängt, wo seine hohe Produktivität eingesetzt werden kann. The robot has mainly displaces people, where its high productivity can be used. Ebenso in Bereichen, in denen eine hohe Positioniergenauigkeit gefragt ist oder schwere oder heiße Teile gehandhabt werden müssen, hat der Roboter sein Einsatzgebiet gefunden. Also, in areas where high positioning accuracy is required or heavy or hot parts have to be handled, the robot has found its application. Und dennoch findet man viele Bereiche, in denen, trotz moderner und billiger Robotertechnik, die Produktionsabläufe manuell erfolgen. And yet there are many areas where, despite modern and cheaper robot technology, production processes carried out manually. 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. Especially in small quantities, high product diversity, diversity which small batches and in cases where generally a high degree of flexibility is required, the effort of automation is often not profitable. Selbst wenn es gilt komplexe Bauteile handzuhaben oder wenn Fügevorgänge sehr toleranzbehaftet und schwierig durchzuführen sind, ist eine manuelle Produktion gegenüber kostenintensiver Robotertechnik vorzuziehen. Even if it is complex components to handle or when joining processes are very subject to tolerances and difficult to perform a manual production over costly robotics is preferable. So vermag es der Mensch intelligent auf Störungen der Anlage zu reagieren und diese oft selbst und schnell zu beheben. So it is able to respond intelligently to failures of the plant and often fix them yourself and quick, man. Eine Störung in der automatischen Produktion führt hingegen zumeist zum Stilllegen der gesamten Anlage, was mit langen Ausfallzeiten und hohen Kosten verbunden ist. A fault in the automatic production, however, usually leads to shutting down the entire system, which is associated with long downtime and high costs.
  • 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. If one the advantages and disadvantages of humans and robots opposite can be said that at issue is to find a benefited as a cooperation partner for any disadvantage.
    Mensch human Roboter robot
    Nachteile disadvantage Vorteile advantages
    Unzuverlässige Proyesskontrolle unreliable Proyesskontrolle Integrierte Przesskontrolle integrated Przesskontrolle
    Ergonomische Einschränkungen ergonomic limitations Hanhaben schwerer und gefährlicher Bauteile Hanhaben difficult and dangerous components
    Ungenaues Positionieren inaccurate positioning Exaktes Abfahren definierter Bahnen Precise retraction of defined webs
    Verlangt anspruchsvolle Aufgaben Calls demanding tasks Durchführen monotoner Tätigkeiten Performing repetitive activities
    Vorteile advantages Nachteile disadvantage
    Hohe Verfügbarkeit High availability Störanfällig susceptible to interference
    Handhaben komplexer Bauteile Handling of complex components Handhabung von komplexen Bauteilen schwierig Handling of complex components difficult
    Durchführen komplexer Fügevorgänge Performing complex joining processes Toleranzbehaftetes Fügen nicht möglich Tolerance-affected Include impossible
    Einfache Magazinierung der Bauteile Simple magazine loading of the components Definierte Bereitstellung nötig Defined providing necessary
    Aufgabenflexibel Flexible task Starre Abarbeitung der Aufgaben Rigid execution of tasks
  • Bei einer optimalen Kooperation zwischen Mensch und Roboter könnten grundsätzlich die jeweiligen Nachteile kompensiert und die jeweiligen Vorteile kombiniert werden. With an optimum cooperation between humans and robots basically the respective disadvantages could be compensated and the respective advantages are combined. 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. In the field of OTS systems, there are several developments that are trying in one way or another, to combine the capabilities of humans and robots. Einige davon finden Ihre Anwendung auch im Bereich der Montagetechnik. Some of them will find your application in the field of assembly technology.
  • 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. A cooperation between humans and robots investigate Laengle, Hoeniger and Zhu with the KAMRO (Karlsruhe Autonomous Mobile Robot) and a multi-agent system for dynamically switching between autonomous and cooperating operations, see In Proceedings of MACS'2000, Vol. 2, pages 55-58, 2000. The KAMRO normally processed automatically pick & place tasks. 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. If he can not solve autonomously under certain conditions, its task, it will switch to semi-automatic mode and can be so help from man. Der Mensch kann ihn dann über Kraftrückkopplung führen während der KAMRO beispielsweise das Gewicht kompensiert. Man can it then force feedback lead during KAMRO example, the weight compensated. 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. This system is a mobile robot, which is designed primarily to perform tasks autonomously and may call in people to help only in case of problems.
  • 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]. A system which monitors the entire working area of ​​a stationary robot investigate Ebert and Henrich [Dirk Ebert and Dominik Henrich, safe human-robot-cooperation: problem analysis, system concept and fast sensor fusion, intelligent In IEEE Conference on multisensor fusion and integration for 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. The work space of the robot is in this case detected by black and white cameras whose images are processed by means of back projection and look-up tables, which can be closed to a robot configurations in which collisions would occur. Mit dieser Kenntnis wird eine kollisionsfreie Bahn für den Bewegungsablauf des Roboters generiert. With this knowledge, a collision-free path is generated for the sequence of movements of the robot. Dieses System soll das sichere Arbeiten von Mensch und Roboter im selben Arbeitsraum ermöglichen, stellt aber keine Ansprüche an die direkte Zusammenarbeit zwischen ihnen. This system will enable safe working of humans and robots working in the same space, but does not claim to direct cooperation between them.
  • Heiligensetzer [Peter Heiligensetzer, Sichere Mensch-Roboter Kooperation für Roboter im niedrigen Traglastbereich, In Dr. Heiligensetzer [Peter Heiligensetzer, Safe human-robot cooperation for robots in the low load range, 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. Matthias Umbreit, Paul Ross, OTS systems in robotics, robots Without Guards, volume 1. Bavarian Competence Network for Mechatronics, Herbert Utz Verlag Science, 2002] investigated a security concept based on the industrial robot KUKA KR 3 for the low load range. Ein System aus der Kombination eines kapazitiven Näherungsschalters, eines taktilen Flächensensors und der Überwachung der Motorströme kontrolliert die direkte Umgebung des Roboters. A system consisting of the combination of a capacitive proximity switch, a tactile surface sensor and the monitoring of the motor currents controls the direct surroundings of the robot. 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. With this sensor system, the speed of the robot can in front of a physical contact with an object reduced to a minimum level and the maximum clamping force of the robot are limited to 400N in order to help avoid injury.
  • Die entwickelte flexible Arbeitszelle der Fa. Reis Robotics [T. The developed flexible work cell 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. Morhard, realization of OTS system at a supplier to the plastics industry, in OTS systems in robotics, Munich, 25 June 2002] the people from one side allows access to a shared workspace. Die Anwesenheit eines Menschen am Zugang zum gemeinsamen Arbeitsbereich wird durch eine Anmeldeprozedur überwacht. The presence of a person at the entrance to the shared workspace is monitored by a logon procedure. 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. Is a person present the robot moves within the common working area only with the prescribed reduced speed of 250 mm / s, which is guaranteed by a safe control. 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. The very low travel speed of 250 mm / s in the shared workspace restricts the benefits of cooperation, however, mainly due to the loading and unloading of components a. Der Roboter führt somit seine eigentliche Aufgabe meistens fern vom gemeinsamen Arbeitsbereich unter normaler Betriebsgeschwindigkeit aus. Thus, the robot performs the actual task usually far from the shared workspace under normal operating speed.
  • 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. In an article of the inventor, "Direct human-Robotor cooperation", published in ZWF assembly technology, Vol. 96 (2001) 11-12, S.616-620, which is regarded as the closest prior art, a cooperative cell is written, within a safe for a human cooperation with a robot to be possible. the spatially limited cooperation cell is detected by an optical monitoring system, wherein the states of motion of humans and robots are registered. As a function of the permitted states of motion between humans and robots, the robot is suitable driven . Nevertheless, it requires on the part of people to deal with the robot sufficient experience and a relevant exercise routine in order to collaborate effectively with the robot.
  • Darstellung der Erfindung Summary of the Invention
  • 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. designated Starting from the above known robot systems, it applies a method of monitored cooperation between a robot unit and a human being to perform carried out after a predeterminable program flow handling steps within an accessible by both the robot unit, as well as by man, common working space, wherein the robot unit of a the handling steps defining the program sequence control is controlled to provide such that a safe cooperation between robot and human being in particular for humans to be safely possible, at the same time the robot system with respect to viability and productivity should not undergo reduction by the presence of people as possible. 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. Even if the average travel speed of the robot unit towards fully automated systems is inevitable lower on average, it should still be possible to achieve through improved integration of man and machine increased productivity of the entire system. Ferner soll das Verfahren schnell und kostengünstig auch bei bestehenden Robotersystemen implementierbar sein und überdies eine erhöhte Flexibilität in punkto Produktionsumrüstzeiten bieten. Furthermore, the process should be quick and inexpensive to implement in existing robot systems and that they offer increased flexibility in terms Produktionsumrüstzeiten. 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. In the area of ​​commissioning of such systems, this means in particular that the robot unit should not be to program more complicated, than is possible with standard tools of the manufacturer, the design of the workflow again as much freedom to be left behind. Insbesondere gilt es für den mit der Robotereinheit in Kooperation tretenden Menschen ein sicheres Arbeitsgefühl zu schaffen. It is especially important to create a safe working sense of entering into cooperation with the robot unit people. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang daher die Arbeitsergonomie, die das Sicherheitsempfinden des Menschen in entscheidendem Maße positiv beeinflussen soll. Of particular importance are the ergonomics, which should positively affect the sense of security of the people to a decisive degree is in this context therefore.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. The solution of the underlying object of the invention is defined in claim. 1 Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen. advantageously the inventive idea further developing features are subject of the dependent claims and the description with reference to the embodiments can be seen.
  • 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: The process concept according to the invention to the monitored cooperation between a robot unit and a human according to the features of the preamble of claim 1 is characterized in that, from a variety of different of stored movement pattern an individual for humans movement pattern that a sense of work safety and control of the people's robotic unit conveys, is selected, each movement pattern exist in at least a first and second quality level, which differ from each other in the following manner:
    die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines ersten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 1 gemäß erster Qualitätsstufe ist kleiner als die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines zweiten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 2 gemäß zweiter Qualitätsstufe, the moving speed or the moving speed lying within a first spectrum moving speed v 1 according to the first quality level is less than the moving speed or the moving speed lying within a second spectrum moving velocity v 2 according to the second quality level,
    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 α 1 auf als im Falle der zweiter Qualitätsstufe mit α 2 und/oder the direction of movement, which is described by an angle α between a straight connecting line which connects the people and the robot unit to the selected locations, and the velocity vector of the robot unit, comprises according to the first quality level a greater angle α 1 than in the case of the second quality level with α 2 and / or
    der Abstand α 1 ist gemäß erster Qualitätsstufe größer als der Abstand α 2 gemäß zweiter Qualitätsstufe. the distance α 1 according to the first quality level is greater than the distance α 2 according to the second quality level.
  • Das erfindungsgemäße Konzept geht von der Überlegung aus, das Bewegungsverhalten der Robotereinheit dem jeweiligen Menschentypus, der mit der Robotereinheit zusammenarbeitet, anzupassen. The inventive concept is based on the consideration the movement behavior of the robot unit adapted to the particular type of man who works with the robot unit. 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. for example, an inexperienced with the robot unit and cautious by temperament ago and shy prepared person the robot unit is faced to cooperate, it is especially the dynamic approach behavior of the robot unit relative to the subject with a slow approach speed, and a driven not directly targeted at the person movement direction and finally perform in strict compliance with a predetermined safety distance. 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. in contrast, there is a familiar routine with the robot unit and sent working person, as well as increased speed of movement, a more direct, targeted at the person approaching direction and a degraded distance measure between humans and robots capable of a relevant person in their well-being during the cooperation with not to interfere with the robot unit.
  • Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen im Wesentlichen vier Ebenen zugrunde, die zugleich auch Hierarchie- oder Prioritätsebenen darstellen. The method according to the invention are essentially four levels based on the necessarily represent hierarchical or priority levels. Diese werden im Einzelnen in einer Reihenfolge abnehmender Priorität nachfolgend wie folgt bezeichnet: These are referred to in an order of decreasing priority below in detail as follows:
    • 1. Programmablauf-Steuerung, 1. program flow control,
    • 2. Ergonomieüberwachung, 2. Ergonomics monitoring,
    • 3. Kollisionsüberwachung, 3. collision monitoring,
    • 4. Manipulation. 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. The core of the process of the invention is the program sequence control of the robot unit in which the individual movements and activities of the robot as well as that of entering into cooperation with the robot people are placed rigid. 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. As the human and the robot unit ever closer during the collaboration, control algorithms developed a monitoring system that determines how the robot responds to the respective people. Die Entwicklung von Regelalgorithmen führen zu einem Bewegungsmuster, das der Kinematik der Robotereinheit, insbesondere im Falle einer relativen Annäherung zum Menschen aufgeprägt wird. The development of control algorithms result in a movement pattern which is impressed on the kinematics of the robot unit, in particular in case of relative approach to man.
  • 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. So that man gets a sense of security and control during the cooperation, the movement of the robot is controlled according to ergonomic principles in the context of ergonomics monitoring.
  • Besteht hingegen eine drohende Verletzungsgefahr für den Menschen, so wird dies von der Kollisionsüberwachung erkannt, die den maximalen Bremsweg des Roboters berücksichtigt. however, there is an imminent risk of injury to humans, this is detected by the collision monitoring in relation to the maximum braking distance of the robot. 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, dh 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. If the workflow should be disturbed in any way, man must, as the supreme authority, at any time, have the opportunity to respond to the robot unit, ie to interrupt the flow and workflow of the robot and manipulate if required, what of the latter place in the priority levels of manipulation corresponds.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere unter Erfüllung zweier Aspekte ausgeprägt, um letztlich den hohen Anforderungen an Sicherheit und Ergonomie zu entsprechen. The inventive method is especially pronounced under fulfillment of two aspects to ultimately meet the high standards of safety and ergonomics.
  • 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. Firstly, the allowable moving speed of the robot unit is continuously determined and controlled in order to reduce the largest threat posed by the robot unit, namely, their kinetic energy accordingly. 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. It will be ensured that the robot unit to man behaves towards such that people feel safe and feel the feeling of absolute control over the robot at any stage of cooperation. So schätzt der Mensch seine eigene Sicherheit in Abhängigkeit des Abstandes zum Roboter, der Verfahrgeschwindigkeit sowie von der Verfahrrichtung des Roboters ein. Thus man appreciates his own safety a function of the distance to the robot, the speed of movement and the direction of travel of the robot. Basierend auf diesen Kriterien wird in erster Linie die Verfahrgeschwindigkeit des Roboters in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung und dem Abstand zum Menschen angepasst. Based on these criteria, the traverse speed of the robot in dependence on the movement direction and the distance is adjusted on the people in the first place.
  • 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. Also, the direction of travel can be controlled according to the results from the angle between a virtual straight line passing through the coordinates of the person and the robot unit and the current velocity vector of the robot. Zudem ist es vorteilhaft den jeweiligen Abstand zwischen Robotereinheit und Mensch in Abhängigkeit des Verhaltens des Menschen zu regeln. In addition, it is advantageous to regulate the distance between each robot unit and man, depending on the behavior of man.
  • 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. In a simplest embodiment, it is for a human being possible to select the movement behavior or the be impressed pattern of movement of the robot unit in three predetermined different quality levels, "slow", "medium" and "fast", depending on whether the person is no experience yet has with the handling of the robot, small or very large experience. 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. With the help of an underlying the different patterns of movement control algorithm, which preferably operates on the basis of a fuzzy-controlled system, adapted to the human Bewegungscharakeristika the self-movement of the robot unit are impressed.
  • Auf diese Weise kann das Bewegungsmuster individuell auf den Menschen vorab eingestellt werden. In this way, the movement pattern can be adjusted individually to the people beforehand. 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. An advanced method alternative provides to capture the behavior of the people during the cooperation with the robot unit, this is done for example with an optical camera unit so that based on the current human behavior using a neuro-fuzzy system an individual movement pattern for the robot unit is generated. Dies erfolgt durch Vergleich der erfassten Bewegungsinformationen des Menschen mit Kennlinienfelder, um letztlich dem aufzuprägenden Bewegungsmuster zugrundeliegende Regelalgorithmen zu generieren. This is done by comparing the detected movement information of the people with characteristic curves, to ultimately generate the pattern to be embossed movement underlying control algorithms.
  • Der zweite Aspekt nach dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt ist, betrifft die zuverlässige Vermeidung von Kollisionen zwischen der Robotereinheit und dem Menschen. The second aspect according to the method of the invention is designed relates to the reliable avoidance of collision between the robot unit and man. Im Rahmen der sogenannten Kollisionsüberwachung werden sich anbahnende Kollisionssituationen erfasst und entsprechend bewertet. In the context of so-called collision monitoring impending collision situations are detected and evaluated accordingly. 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. Consists, for example, by the current movement dynamics of the robot unit and the man's a danger of collision between the robot unit with the head or the body of man or is also a risk of shearing or crushing of any parts of the body, particularly the hands and arms, through the robot unit so to show off the robot unit clear and sharp limits that depend on the maximum stopping distance of the robot unit and the delay time within the entire system, to completely avoid the risk of collision ultimately applies.
  • 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. In this connection, the position of the people within the working area within which the robot unit has access is determined with the help of a specific detection system, for example by means of a surveillance camera or a suitable transponder systems, by the position of the hands or arms as well as the head and the torso , 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. In particular, the hands are in contrast to the head and body of man very quickly movable and can also be quickly withdrawn from this area again see a hand reach under a so-called reaction grasping with up to 2 m / in a direction indicated by shearing or crushing danger zone, but , 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. Except for the above dangerous situations referred to the process used in connection with the collision monitoring of the robot unit movement pattern allows quite "soft" collisions between hands and robot unit, especially as the hands can cushion the collision shock well, provided that the shock pulse for the people in an ergonomically acceptable frame moves.
  • 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. Anders is a collision, however, to be seen with his hands in the case of the aforementioned crushing or shearing, in which a corresponding alternative of the hands is not given, and therefore to prevent in this case, in any case a collision. 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. In such a case, as if the collision between robot unit from the head and torso of the people applies to abruptly reduce the speed of movement of the robot as part of the technically possible limits to zero.
  • Während der gesamten Abbremsphase der Robotereinheit wird angenommen, dass sich die Hände, Kopf und Rumpf mit maximaler Geschwindigkeit bewegen könnten. Throughout the deceleration of the robot unit is assumed that the hands, head and body could move at maximum speed. Die Position, in welcher die Robotereinheit letztlich zum Stillstand kommt, sowie die Bremsdauer sind aus der aktuellen Position und Achsgeschwindigkeit der Robotereinheit bestimmbar. The position in which the robot unit ultimately comes to a standstill, as well as the braking time can be determined from the current position and axis speed of the robot unit.
  • 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. Therefore, the collision monitor takes over the task of checking whether the hands of the danger of shearing or crushing or the head or the body of the people are at risk of an impact on the one hand and whether these body parts in time, which is composed of the total system delay and time for braking of all axes composed, can get into the action or effect the field of robot unit. Ist dies der Fall, so wird der Roboter solange abgebremst, im Extremfall auf die Geschwindigkeit Null, bis die Gefahr überwunden ist. If this is the case, the robot is decelerated so long until the danger is overcome in extreme cases to zero velocity.
  • 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. As a last-level hierarchy of the four aforementioned hierarchy or priority levels through controlled cooperation between the robot unit and man, the possibility of manipulation of the robot unit is used by man.
  • Der Mensch stellt grundsätzlich die oberste Überwachungsinstanz dar und hat letztlich die Verantwortung über das Geschehen innerhalb des Arbeitsbereiches. Man basically is the top monitoring body and ultimately the responsibility of what is happening inside the work area. Aus diesem Grunde hat der Mensch jederzeit, dh 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. For this reason man has at any time, ie in normal program mode, the ability to intervene in the operation of the robot unit and manipulate it so that we can react appropriately to any interference.
  • So ergeben sich aus einer Analyse sowie Klassifizierung der Fehlverhalten der Robotereinheit, dem Menschen sowie auch der Kooperationsaufgabe selbst unterschiedliche Manipulationsmöglichkeiten. Thus, the misconduct of the robot unit, the people as well as the cooperative task itself derived from an analysis and classification of different possibilities for manipulation. 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. First, the robot unit in operation at all times be stopped by man puts the robot unit to the operating mode "Pause." In this operation mode, the robot unit remains in the so-called standby mode in their current position and can by re-activating any time in transition to be set.
  • 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. Remains the robot unit at an unfavorable point stand, the robot unit from the operating mode "pause" can "dodging" by the operation mode to be forced, for example, from the current position to a neutral position. Outside of the joint space to avoid. Während des Betriebsmodus „Pause" ist es ua 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. During the operating mode "pause", it is inter alia possible to manually operate the process tool on the robot unit in use respectively, for example, open gripper or close gripper to exchange, for example, a faulty component. Similarly, the process tool can be replaced or changed. This can retooling be significantly reduced.
  • 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". As mentioned above, the paused movement of the robot unit can be resumed at any time by the robot unit is set by the operation mode "play" back in action. However, if the continuation of the current process undesirable because, for example, the component instead of the robot unit has already been used by the workers or people or the robot unit has to repeat the previous process, the person can currently forth between individual processes and to go back. However, if there should be a non-recoverable situation, the operation at any time to the beginning be reset, for example by the operation 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. also is to inform the people about the current state of the robot unit, a visualization of the individual operating Modii and the next planned steps of the robot unit as well as its expectations of man's actions, as provided for example, operation of man to remedy a disturbance, necessary and , for example by means of an appropriate display unit, which can simultaneously serve as communication means in the form of a touch screen.
  • 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. The novel process has a number of advantages over known methods for cooperation between a human and a robot unit that affect particular in terms of the criteria of cost, time and quality of cooperation.
  • 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. Thus, the inventive method in terms of cost ermöglichst a human-robot cooperation, which allows a totally flexible division of labor between man and robot unit, the so-called customized automation and an optimal compromise between personnel and investment costs is .. For the robot unit, this means that the robot unit only carries out activities that are easily automated, which in turn leads to simplified process tools, simple robot programming and material supply.
  • Aus der gefahrlosen Teilung eines Arbeitsplatzes zwischen Mensch und Robotereinheit ergeben sich darüber hinaus kompaktere Montagelinien, die zu einer erhöhten Kapazitätsdichte führen. resulting from the safe dividing a job between man and robot unit further compact assembly lines, which lead to an increased capacitance density. 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. In particular, in the automobile assembly, this leads to shortened assembly lines and in particular fewer clock losses due to a safety separation between man and robot, which is a major cost savings potential.
  • 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. Likewise, in highly automated robot cells the time-consuming resolving interference situations, a significant problem. It is only through the human-robot cooperation, it is possible to enter the security rooms, without the robot has to leave the automatic mode. Nach Behebung einer entsprechend auftretenden Störung setzt die Robotereinheit ihre Tätigkeit an der gleichen Programmstelle fort, was insgesamt zu einer deutlich höheren Verfügbarkeit führt. After correcting a fault occurring in accordance with the robot unit continues its work at the same point in the program, resulting in an overall significantly higher availability. Auch führen höhere Umrüsfflexibilitäten zu einem entscheidenden Zeitvorteil. Higher Umrüsfflexibilitäten lead at a crucial time advantage.
  • Bezüglich der Qualitätssicherung ergibt sich die Möglichkeit, jeden Prozess, der eine Qualitätskontrolle verlangt, der Robotereinheit zu übertragen. Regarding the quality assurance raises the possibility, any process that requires quality control to transfer the robot unit. 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. Another aspect is that by the co-operation and the alternating machining of a product a mutual control of humans and robots is taking place, from the enhanced quality control, especially of humans results.
  • 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. The inventive method has been successfully tested on a pilot plant, comprising an autonomous unit for the assembly of modules and complete products, in which man M and the robot unit R face and the mounting object W stationary for the period of the common processing in the middle between man M and R robot unit is located. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beide Interaktionspartner, dh Mensch und Robotereinheit, uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt haben und sich dennoch frei bewegen können. In this way it is ensured that both interaction partners, ie human and robot unit have full access to the assembly object and can still move freely.
  • Eine derartige Situation ist aus der einzigen Figur in Form einer fotografischen Aufnahme zu entnehmen. Such a situation can be seen from the single figure in the form of a photographic recording. Bei der Zusammenarbeit werden die jeweiligen spezifischen Fähigkeiten der Robotereinheit R sowie des Menschen M optimal ausgenutzt. In working the respective specific capabilities of the robot unit R and the man M are optimally utilized. Als Sensorik zur Arbeitsraumüberwachung dient ein Bildverarbeitungssystem, das die Positionsinformationen des Menschen liefert. As sensors for workplace monitoring an image processing system that provides the location information of the people serves. Über die Robotersteuerung werden die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen der Robotereinheit erfasst. the position and speed information of the robot unit are recorded on the robot controller. Auf Basis dieser Informationen können erfolgreich die Kollisions- und Ergonomieüberwachung durchgeführt werden. Based on this information successfully collision and ergonomics monitoring can be performed. 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. In order to manipulate the movement behavior of the robot unit to perform the control settings, and to be able to recognize the operating states of the robot unit, a touch screen with appropriate operating and message functions is integrated into the system as a man-machine interface, whereby man the function of the uppermost auditor receives.

Claims (9)

  1. 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, dadurch gekennzeichnet , 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 Qualitätsstuf A process for the monitored cooperation between a robot unit and a human being, to execute, to be carried out after a predeterminable program flow handling steps within an accessible by both the robot unit, as well as man-common working space, wherein the robot unit of a handling steps defining program flow control is controlled, wherein the robot unit in relative proximity to the human a movement pattern is impressed, which is characterized by the movement direction, moving speed and distance of the robot unit relative to man, characterized in that from a wide range of stored movement pattern an individual for humans movement pattern corresponding to the human a sense switched to working safety and control of the robot unit, is selected, each pattern of movement in at least first and second Qualitätsstuf e vorliegen, die sich in folgender Weise voneinander unterscheiden: die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines ersten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 1 gemäß erster Qualitätsstufe ist kleiner als die Bewegungsgeschwindigkeit bzw. die innerhalb eines zweiten Bewegungsgeschwindigkeitsspektrums liegende Bewegungsgeschwindigkeit v 2 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 α 1 auf als im Falle der zweiter Qualitätsstufe mit α 2 und/oder der Abstand a 1 ist gemäß erster Qualitätsstufe größer als der Abstand a 2 gemäß zweiter Qualitätsstufe. present E, which differ in the following manner from one another: the movement speed or lying within a first moving speed spectrum moving speed v 1 according to the first quality level is less than the moving speed or lying within a second moving speed spectrum moving velocity v 2 according to the second quality level, the direction of movement, described α by an angle between a connecting straight line, which connects the people and the robot unit to the selected locations, and the velocity vector of the robot unit, comprises according to the first quality level a greater angle α 1 than in the case of the second quality level with α 2 and / or the distance a is 1 according to the first quality level is greater than the distance a 2 according to the second quality level.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Programmablaufsteuerung die von der Robotereinheit und von dem Menschen durchzuführenden Handhabungsschritte abgespeichert werden. A method according to claim 1, characterized in that the handling steps to be performed by the robot unit and of which people are stored in the program flow control.
  3. Verfahren nach Ansprach 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. A method according spoke 1 or 2, characterized in that at least the person is detected in terms of its spatial position and its kinematic motion state by means of an aligned on the common work space detection unit.
  4. 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 Bewegungsverhaltens mit Hilfe eines neuronalen Fuzzy-Systems in-situ das Bewegungsmuster generiert wird. A method according to claim 3, characterized in that the movement behavior of people is detected by the detection unit, and that in-situ, the motion pattern is generated on the basis of the detected movement behavior of the people using a neural fuzzy system.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsmuster nach ergonomischen Gesichtspunkten ausgewählt wird. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the movement pattern is selected according to ergonomic aspects.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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. A method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for avoiding a collision between man and robot unit, the robot unit, the robot unit is as long as decelerated or brought to a stop in consideration of a current Abbremsweges the robot unit, as well as a maximum inherent speed of movement of people, to exclude a risk of collision is.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, 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. A method according to claim 6, characterized in that the avoidance of the collision in the case of crushing or shearing hazard to humans or, in the case of a collision between the robot unit is conducted with the head or torso of the human, and should no risk of collision in the previous consist sense enables so the robot unit contact with the hands of man.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the robot unit is transferred by humans over an input means in a stand-by mode of operation in which the robot unit at the place where the robot unit is operated during said input means, is brought into a halt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Robotereinheit über das Eingabemittel schrittweise gemäß des Programmablaufes in zurückliegende oder in künftige Bewegungszustände überführt wird. A method according to claim 8, characterized in that the robot unit is transferred via the input means stepwise according to the program sequence in past or future states of motion.
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