DE202014010054U1

DE202014010054U1 - Protektofon - a cognitive safety function

Info

Publication number: DE202014010054U1
Application number: DE202014010054.3U
Authority: DE
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-03-29
Anticipated expiration: 2024-12-20

Abstract

Sicherungssystem zum Einsatz mit einem Roboter, und insbesondere mit einem Leichtbauroboter, welcher anhand einer Bahnplanung in einer Mensch-Roboter-Kollaboration (= MRK) Umgebung gesteuert wird, wobei das Sicherungssystem eingerichtet ist örtliche und zeitliche Information aus der Bahnplanung an die MRK Umgebung zu signalisieren.Security system for use with a robot, and in particular with a lightweight robot, which is controlled by a path planning in a human-robot collaboration (= MRK) environment, wherein the security system is set to signal local and temporal information from the path planning to the MRK environment ,

Description

1. Technischer Bereich1. Technical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sicherungssystem zum Einsatz mit einem Roboter, und insbesondere ein Sicherungssystem zum Einsatz mit einem Roboter, welcher anhand einer Bahnplanung in einer MRK-Umgebung gesteuert wird.The present invention relates to a security system for use with a robot, and more particularly to a security system for use with a robot which is controlled by path planning in an MRK environment.

2. Technischer Hintergrund2. Technical background

Ein Roboter ist ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, der aufgrund des frei programmierbaren Bewegungsablaufs für verschiedene Aufgaben einsetzbar ist. Üblicherweise dient ein Roboter dazu, dem Menschen mechanische Arbeit abzunehmen. Häufig steht ein Roboter als Assistenzmedium im Vordergrund. Hierbei teilen sich üblicherweise Menschen und Roboter einen gemeinsamen Arbeitsraum und bearbeiten gegebenenfalls auch dasselbe Werkstück bzw. Bauteil. Für solche eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) wird eine sichere Zusammenarbeit zwischen Robotern und Menschen vorausgesetzt.A robot is a universally applicable motion machine with multiple axes, which can be used for various tasks due to the freely programmable motion sequence. Usually, a robot is used to remove mechanical work from humans. Often a robot is in the foreground as an assistance medium. Here, people and robots usually share a common workspace and optionally also work on the same workpiece or component. For such a human-robot collaboration (MRK), a secure collaboration between robots and humans is required.

Roboter, die mit einem Menschen interagieren, müssen durch entsprechende Sicherheitstechnik abgesichert werden, wenn von den Robotern Gefahren für die interagierenden Menschen ausgehen. Diese Sicherheitstechnik umfasst üblicherweise eine Vielzahl von Sicherheitsfunktionen, die vorher in einer Risikoanalyse zumeist applikationsspezifisch erstellt werden. Bei Robotersystemen können diese Sicherheitsfunktionen beispielsweise einen Nothalt umfassen, oder auch eine Begrenzung bestimmter physikalischer Zustände eines Roboters (z. B. der Position, der Geschwindigkeit oder der Kraft des Roboters).Robots that interact with a human being must be protected by appropriate security technology when the robots pose dangers to the interacting humans. This safety technology usually includes a variety of safety functions, which are usually created in a risk analysis before application-specific. In robotic systems, these safety functions may include, for example, an emergency stop, or also a limitation of certain physical states of a robot (eg the position, the speed or the force of the robot).

Bei der Auswahl der Sicherheitstechnik wird meist vermieden bestimmte kognitive Fähigkeiten des Menschen vorauszusetzen. Es wird also implizit eine Konstellation der Interaktion zwischen Mensch und Maschine vorausgesetzt, die von den kognitiven Fähigkeiten des Menschen abstrahiert ist. Diese Vorgehensweise führt insbesondere bei Robotern in anthropomorpher Bauweise, wie beispielsweise Kleinrobotern mit armähnlicher Kinematik, zu einer sehr umfangreichen, also kosten- und entwicklungsintensiven Ausstattung mit Sicherheitsfunktionen. Eine weitere Konsequenz der Vernachlässigung der kognitiven Fähigkeiten des Menschen ist eine sehr konservative Parametrisierung dieser Sicherheitsfunktionen. Dadurch wird die durch die physikalischen Zustände der Maschine umsetzbare mechanische Energie als auch die Größe des Arbeitsraumes, in welchem sich der Roboter bzw. arbeiten kann, stark eingeschränkt. Folglich verbleibt durch diese einfache Sicherheitstechnik ein nicht zu geringes Restrisiko, und insbesondere Kollisionsrisiko, und ferner auch eine durch diese Sicherheitstechnik verursachte geringe Performanz des anthropomorphen Systems.In the selection of safety technology is usually avoided to assume certain cognitive abilities of humans. Thus, implicitly, a constellation of the interaction between man and machine is presupposed, which is abstracted from the cognitive abilities of man. This approach leads in particular in robots in anthropomorphic construction, such as small robots with arm-like kinematics, to a very extensive, so cost and development-intensive equipment with security features. Another consequence of neglecting human cognitive abilities is a very conservative parameterization of these safety functions. As a result, the mechanical energy that can be converted by the physical states of the machine as well as the size of the working space in which the robot can work are severely restricted. As a result, this simple safety technology leaves residual risk, and in particular collision risk, not too low, and also low performance of the anthropomorphic system caused by this safety technology.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Robotersystem bereitzustellen, welches seine intendierte Bewegung effektiv an die in der MRK-Umgebung beteiligten Menschen kommuniziert. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sicherheitssystem bereitzustellen, welches im Zusammenspiel mit kognitiven Fähigkeiten des Menschen eine sichere MRK erlaubt.The object of the present invention is therefore to provide a robot system which effectively communicates its intended movement to the people involved in the MRC environment. It is a further object of the present invention to provide a security system which, in conjunction with human cognitive abilities, allows for a secure MRC.

Diese und weitere Aufgaben werden durch den Gegenstand der Hauptansprüche der vorliegenden Erfindung gelöst.These and other objects are achieved by the subject of the main claims of the present invention.

3. Inhalt der Erfindung3. Content of the invention

Ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem eignet sich dabei zum Einsatz mit einem Roboter, und insbesondere mit einem Leichtbauroboter. Der Roboter wird dabei anhand einer Bahnplanung in einer MRK-Umgebung gesteuert. Die Steuerung des Roboters kann dabei auf unterschiedliche Art und Weisen erfolgen, wie beispielsweise durch eine Punkt-zu-Punkt-Steuerung, Multipunktsteuerung oder Bahnsteuerung. Anhand der Bahnplanung sind die geplanten zukünftigen Bewegungen bzw. Positionen des Roboters bekannt.A security system according to the invention is suitable for use with a robot, and in particular with a lightweight robot. The robot is controlled by path planning in an MRK environment. The control of the robot can be done in different ways, such as by a point-to-point control, multipoint control or path control. Based on the path planning, the planned future movements or positions of the robot are known.

Das erfindungsgemäße Sicherungssystem ist dabei eingerichtet, örtliche und zeitliche Informationen aus der Bahnplanung an die MRK-Umgebung zu signalisieren. Somit können Menschen, die sich in der MRK-Umgebung aufhalten, auf diese Signale reagieren und entsprechend interagieren, so dass eine Kollision mit dem Roboter vermieden wird. Die örtliche und zeitliche Information aus der Bahnplanung, wie beispielsweise Information bezüglich einer Pose, die von dem Roboter als nächstes eingenommen wird, erlaubt es dem Menschen intuitiv zu erfahren, wie er sich in dem geteilten Arbeitsraum verhalten soll. Da die Information aus der Bahnplanung vorzugsweise vorab an die MRK-Umgebung signalisiert wird, kann der Mensch sich hierauf einstellen wodurch Kollisionen vermieden werden.The security system according to the invention is set up to signal local and temporal information from the path planning to the MRC environment. Thus, people who are in the MRC environment can respond to these signals and interact accordingly, thus avoiding a collision with the robot. The local and temporal information from the path planning, such as information regarding a pose, which is taken next by the robot, allows people to intuitively know how to behave in the shared workspace. Since the information from the path planning is preferably signaled in advance to the MRK environment, the human being can adjust to this, thereby avoiding collisions.

Vorzugsweise kennzeichnet die örtliche und zeitliche Information aus der Bahnplanung, die von dem Sicherungssystem an die MRK-Umgebung signalisiert wird, zumindest eine geplante Konfiguration, geplante Pose und/oder geplante Bewegung des Roboters. Somit kann ein Mensch, der in einer MRK-Umgebung mit einem Roboter zusammenarbeitet, anhand der örtlichen und zeitlichen Information erfahren, wie sich der Roboter bewegen wird bzw. welchen Raum er in dem geteilten Arbeitsraum belegen wird.Preferably, the local and temporal information from the path planning signaled by the security system to the MRC environment identifies at least one of a planned configuration, a planned pose and / or a planned movement of the robot. Thus, a person who collaborates with a robot in an MRK environment can learn, based on the local and temporal information, how the robot will move or which space it occupies in the shared work space.

Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Sicherungssystem Mittel auf, um die Information visuell und/oder akustisch zu signalisieren. Hierzu kann das Sicherungssystem beispielsweise einen Lautsprecher umfassen, welcher an die MRK-Umgebung mitteilt, dass und wie sich der Roboter verhalten wird. Auf diese Information kann ein Mensch reagieren, um vorteilhaft Kollisionen mit dem Roboter zu verhindern. Preferably, the security system according to the invention comprises means for visually and / or acoustically signaling the information. For this purpose, the security system may, for example, comprise a loudspeaker which notifies the MRC environment and how the robot will behave. A human can react to this information in order to advantageously prevent collisions with the robot.

Die Information kann auch visuell signalisiert werden, beispielsweise mittels ein oder mehrerer Leuchtmittel wie beispielsweise LEDs. Durch eine entsprechende Steuerung beispielsweise der Helligkeit oder Farbe der Leuchtmittel kann an die MRK-Umgebung signalisiert werden, wann der Roboter welche Bewegung durchführt bzw. Pose einnimmt. Vorzugsweise sind die Mittel an einem Fuß und/oder an einem Flansch des Roboters bereitgestellt. Die Bereitstellung am Fuß ist vorteilhaft, da der Fuß des Roboters nur selten von dem Roboter verdeckt wird, so dass das Mittel aus nahezu beliebiger Orientierung von der MRK-Umgebung aus sichtbar ist. Die Position am Flansch des Roboters ist vorteilhaft, wenn ein Mensch beispielsweise direkt mit dem Roboter zusammenarbeitet und hierbei in nächster Umgebung mit dem Endeffektor bzw. Werkzeug des Roboters arbeitet. Somit können die örtliche und zeitliche Information aus der Bahnplanung deutlich dem Menschen mitgeteilt werden.The information can also be visually signaled, for example by means of one or more light sources such as LEDs. By an appropriate control, for example, the brightness or color of the bulbs can be signaled to the MRK environment, when the robot performs which movement or pose occupies. Preferably, the means are provided on a foot and / or on a flange of the robot. Provision to the foot is advantageous because the robot's foot is rarely obscured by the robot so that the means is visible from almost any orientation from the MRC environment. The position on the flange of the robot is advantageous when, for example, a human being works directly with the robot and in the immediate vicinity works with the end effector or tool of the robot. Thus, the local and temporal information from the railway planning can be clearly communicated to the people.

Der Fachmann versteht, dass verschiedene Komponenten kombiniert werden können, um die Information zu signalisieren. So können beispielsweise sowohl Lautsprecher als auch Leuchtmittel eingesetzt werden, um eine sichere MRK zu ermöglichen.One skilled in the art will understand that various components may be combined to signal the information. For example, both speakers and bulbs can be used to enable a secure MRK.

Vorzugsweise ist das Sicherungssystem integral in dem Roboter bereitgestellt. Alternativ kann das Sicherungssystem auch separat von dem Roboter bereitgestellt sein, und kann beispielsweise auch eingerichtet sein, örtliche und zeitliche Information aus der Bahnplanung unterschiedlicher Roboter an die MRK-Umgebung zu signalisieren. Somit ist das erfindungsgemäße Sicherungssystem flexibel einsetzbar.Preferably, the security system is integrally provided in the robot. Alternatively, the security system can also be provided separately from the robot, and can also be set up, for example, to signal local and temporal information from the path planning of different robots to the MRK environment. Thus, the security system according to the invention can be used flexibly.

Vorzugsweise kann als Informationsquelle der intendierten Bewegung, bzw. geplanten Konfiguration, geplanten Pose oder geplanten Bewegung der Vorlaufzeiger gewählt werden. Weiter vorzugsweise kann als Informationsquelle der intendierten Bewegung die durch eine ”Teach-and-learn”-Funktion aufgezeichnete Trajektorie gewählt werden.Preferably, the forward pointer can be selected as the information source of the intended movement, or planned configuration, planned pose or planned movement. Further preferably, the trajectory recorded by a "teach-and-learn" function can be selected as the information source of the intended movement.

Die örtliche und zeitliche Information kann vorzugsweise Information aus der Bahnplanung mit einer festen Vorschauzeit oder einer variablen Vorschauzeit an die MRK-Umgebung signalisiert werden. So kann beispielsweise eine Vorausschauzeit von zehn Sekunden gewählt werden, so dass der MRK-Umgebung signalisiert wird, welche Pose bzw. Bewegung der Roboter in zehn Sekunden aufgrund der Bahnplanung durchführen wird. Somit kann sich eine Mensch, der einen Arbeitsraum mit dem Roboter teilt, effizient auf diese geplante Bewegung einstellen um sich beispielsweise nach Ablauf der ihm bekannten Vorschauzeit an einem ihm ungefährlichen Ort zu befinden. Bevorzugt wird eine Vorausschauzeit von 5 Sekunden und besonders bevorzugt eine Vorausschauzeit von 2 Sekunden gewählt.The local and temporal information may preferably be signaled information from the path planning with a fixed preview time or a variable preview time to the MRK environment. Thus, for example, a look-ahead time of ten seconds can be selected so that the MRK environment is signaled which pose or movement of the robot will take place in ten seconds due to the path planning. Thus, a person sharing a workspace with the robot can efficiently adjust to this planned movement in order, for example, to be at a safe place after the known preview time has elapsed. Preferably, a look-ahead time of 5 seconds and more preferably a look-ahead time of 2 seconds is selected.

Die vorliegende Erfindung vermindert somit das Restrisiko einer Kollision zwischen einem Menschen und einem Roboter in einer MRK-Umgebung. Hierbei wird aufgrund eines effektiven Zusammenspiels zwischen dem erfindungsgemäßen Sicherungssystem und kognitiven Fähigkeiten eines Menschen ein simples, einfaches und effizientes Sicherheitskonzept gewährleistet. Hiermit wird ferner die Anforderung an die Sicherheitsintegrität reduziert.The present invention thus reduces the residual risk of a collision between a human and a robot in an MRC environment. In this case, due to an effective interaction between the security system according to the invention and the cognitive abilities of a person, a simple, simple and efficient security concept is ensured. This also reduces the requirement for security integrity.

Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Robotersystem, welches einen Roboter, eine Robotersteuerung und ein erfindungsgemäßes Sicherungssystem aufweist. Der Roboter wird dabei anhand einer Bahnplanung in einer MRK-Umgebung gesteuert. Das Robotersystem ist dabei eingerichtet, folgende Verfahrensschritte durchzuführen: Ermitteln, basierend auf der Bahnplanung, von örtlicher und zeitlicher Information aus der Bahnplanung, und Signalisieren der Information an die MRK-Umgebung.The present invention further includes a robot system having a robot, a robot controller and a security system according to the invention. The robot is controlled by path planning in an MRK environment. The robot system is set up to perform the following method steps: determining, based on the path planning, of local and temporal information from the path planning, and signaling the information to the MRK environment.

Der Fachmann versteht, dass das vorliegende Sicherungssystem mit weiteren bekannten Sicherheitsfunktionen kombiniert werden kann. Dabei erlaubt es das erfindungsgemäße Sicherungssystem, Restrisiken, die durch den Einsatz der bekannten Sicherheitsfunktionen bestehen, zu reduzieren. Ferner ist das erfindungsgemäße Sicherungssystem vorteilhaft, da es weniger konservative, also Performanz-orientierte Parameter als bekannte Sicherheitsfunktionen voraussetzt.The skilled person understands that the present security system can be combined with other known security functions. The security system according to the invention makes it possible to reduce residual risks that exist through the use of the known security functions. Furthermore, the security system according to the invention is advantageous because it requires less conservative, ie performance-oriented parameters than known security functions.

4. Ausführungsbeispiele4th embodiments

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Figur näher beschrieben. Hierbei zeigt:In the following, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying figure. Hereby shows:

1 einen Roboter mit einem erfindungsgemäßen Sicherungssystem. 1 a robot with a security system according to the invention.

In 1 wird exemplarisch ein Roboter 10 dargestellt, welcher in Form eines mehrachsigen Gelenkarmroboters 10 ausgebildet ist. Der Roboter 10 ist in einer gestreckten Konfiguration, und weist an seinem Fuß 12 eine Signalisierungsvorrichtung 20 auf, welche aus einem Leuchtring besteht. Diese Signalisierungsvorrichtung 20 stellt dabei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sicherungssystems dar. Der Leuchtring 20 ist in einzelne Teile unterteilt, welche unabhängig voneinander in unterschiedlichen Farben leuchten können. Dieser Leuchtring codiert bzw. markiert den gesamten Arbeitsraum des Roboters, indem er den Arbeitsraum in verschiedene Richtungen auflöst.In 1 becomes an example of a robot 10 shown, which in the form of a multi-axis articulated arm robot 10 is trained. The robot 10 is in a stretched configuration, and points to his foot 12 a signaling device 20 on, which consists of a light ring. This signaling device 20 represents an embodiment of the security system according to the invention. The light ring 20 is divided into individual parts, which can shine independently in different colors. This light ring encodes or marks the entire working space of the robot by dissolving the working space in different directions.

Arbeitsraumpositionen in der XY-Ebene werden durch die horizontalen Leuchtbereiche an dem Leuchtring 20 markiert, während Arbeitsraumpositionen in der Z-Ebene durch Leuchtpositionen am oberen oder unteren Bereichs des Leuchtrings 20 markiert werden.Workspace positions in the XY plane are defined by the horizontal luminous areas on the luminous ring 20 marked, while working space positions in the Z-plane by luminous positions at the top or bottom of the luminous ring 20 be marked.

Abhängig der geplanten Bewegung in den nächsten beispielsweise zehn oder fünf Sekunden leuchtet die Stelle des Leuchtrings rötlich, die den Teil des Arbeitsraums des LBR codiert bzw. markiert, zu welchem der Gelenkarmroboters 10 als nächstes fahren wird. Wie in 1 dargestellt, leuchtet ein Teil 21 des Leuchtrings 20 rot. Somit wird angezeigt oder signalisiert, dass der Roboter in Naher Zukunft wohl in die durch Teil 21 markierte Stelle verfahren wird. Um Kollisionen zu vermeiden, kann ein Mensch diesen Bereich meiden. Die anderen Teile hingegen leuchten grün und zeigen an, dass in diesen Bereichen in den nächsten beispielsweise zehn oder fünf Sekunden keine Gefahr besteht. Der Fachmann versteht, dass auch andere Vorausschauzeiten gewählt werden können, wie beispielsweise zwei, 20 oder 30 Sekunden.Depending on the planned movement in the next, for example, ten or five seconds, the location of the luminous ring reddish, which encodes the part of the working space of the LBR, to which the articulated arm robot shines 10 will drive next. As in 1 shown, a part lights up 21 of the light ring 20 red. Thus, it is displayed or signaled that the robot in the near future probably in the part 21 marked point is moved. To avoid collisions, a person can avoid this area. The other parts, on the other hand, are green and indicate that there is no danger in these areas for the next 10 or 5 seconds, for example. Those skilled in the art will understand that other look-ahead times may be selected, such as two, 20 or 30 seconds.

Die rötliche Leuchtintensität wird umso stärker, je mehr Gefahr von der intendierten Bewegung durch den Gelenkarmroboters 10 ausgeht, z. B. je schneller die intendierte Bewegung ist. Der Fachmann versteht, dass die Intensität der Leuchtkraft an eine variable Vorausschauzeit gekoppelt sein kann. So kann einem Menschen, welcher einen Arbeitsraum mit dem Gelenkarmroboter 10 teilt, die Vorausschauzeit durch die Intensität der Leuchtkraft mitgeteilt.The reddish light intensity becomes stronger the more danger of the intended movement by the articulated arm robot 10 goes out, z. For example, the faster the intended movement. The person skilled in the art understands that the intensity of the luminosity can be coupled to a variable look-ahead time. Thus, a person who has a working space with the articulated arm robot 10 divides the forecasting time by the intensity of the luminosity.

Der Fachmann versteht, dass die Anbringung des Leuchtrings 20 am Fuß 12 des Gelenkarmroboters 10 besonders dann vorteilhaft ist, wenn der Gelenkarmroboter 10 aufgrund seines Einsatzes weite Strecken im Arbeitsraum zurücklegt. Wenn hingegen nur kurze Wege zurückgelegt werden, beispielsweise um ein angekoppeltes Werkzeug über eine kurze Strecke hinweg zu verfahren, eignet sich die Anbringung des Leuchtrings am Flansch 11 des Gelenkarmroboters 10. So kann ein Mensch, welcher ebenfalls in der Nähe des Werkzeugs arbeitet, sofort erkennen wie der Gelenkarmroboter 10 verfahren wird.The expert understands that the attachment of the light ring 20 at the foot 12 of the articulated arm robot 10 especially advantageous when the articulated arm robot 10 due to its use travels long distances in the working space. If, however, only short distances are covered, for example, to move a coupled tool over a short distance, the attachment of the light ring on the flange is suitable 11 of the articulated arm robot 10 , Thus, a person who also works close to the tool can immediately recognize it like the articulated arm robot 10 is moved.

Neben der beschriebenen Ausführungsform als Leuchtring kann das erfindungsgemäße Sicherungssystem als Ring oder Kugel ausgebildet sein. Eine kugelförmige Ausführungsform ermöglicht dabei eine verbesserte dreidimensionale Signalisierung der intendierten Bewegung bzw. eine verbesserte räumliche Markierung des Arbeitsraums.In addition to the described embodiment as a light ring, the security system according to the invention may be formed as a ring or ball. A spherical embodiment enables an improved three-dimensional signaling of the intended movement or an improved spatial marking of the working space.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Roboterrobot
1111: Flanschflange
1212: Roboterfußrobot foot
2020: Leuchtringlight ring
2121: rot-leuchtendes Teilred-shining part

Claims

Security system for use with a robot, and in particular with a lightweight robot, which is controlled by a path planning in a human-robot collaboration (= MRK) environment, wherein the security system is set to signal local and temporal information from the path planning to the MRK environment ,

A security system according to claim 1, wherein the local and temporal information from the path planning identifies at least one of a planned configuration, a planned pose and / or a planned movement of the robot.

A security system according to claim 1 or 2, wherein the security system comprises means for visually and / or acoustically signaling the information.

A security system according to claim 3, wherein the means are provided on a foot and / or on a flange of the robot.

A security system according to any one of the preceding claims, wherein the security system is integrally provided in the robot.

A robotic system comprising a robot, a robot controller, and a security system according to any one of the preceding claims, wherein the robot is controlled by path planning in a human-robot collaboration (= MRK) environment, and wherein the robotic system is adapted to perform the following method steps: Determine, based on the path planning, local and temporal information from the path planning, and Signaling the information to the MRK environment.