EP3052275A2 - Mrk planungstechnologie - Google Patents

Mrk planungstechnologie

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Publication number
EP3052275A2
EP3052275A2 EP14786458.1A EP14786458A EP3052275A2 EP 3052275 A2 EP3052275 A2 EP 3052275A2 EP 14786458 A EP14786458 A EP 14786458A EP 3052275 A2 EP3052275 A2 EP 3052275A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
manipulator
human
planning
path
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14786458.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Willi Klumpp
Michael ZÜRN
Matthias Reichenbach
Simon Klumpp
Konrad Wirth
Christian Eberdt
Richard ZUNKE
Ralf Kühnemann
Alexander Gürtler
Reinhard NEUREITER
Thomas Rau
Andreas Domke
Robert Haman
Otmar Honsberg
Kurt Strauss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KUKA Systems GmbH
Original Assignee
KUKA Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Systems GmbH filed Critical KUKA Systems GmbH
Publication of EP3052275A2 publication Critical patent/EP3052275A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • B25J9/1666—Avoiding collision or forbidden zones
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40198—Contact with human allowed if under pain tolerance limit
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40202—Human robot coexistence
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40478—Graphic display of work area of robot, forbidden, permitted zone

Definitions

  • the invention relates to a technology for planning and implementing human-robot collaboration processes.
  • MTK Human-Robot-Collaboration
  • collaboration area The part of the workspace in which the range of movement of a robot and the access area of a person overlap is called a collaboration area.
  • Collaborative operation is understood to mean a state in which one or more robots (manipulators) developed for a particular purpose are in direct, i. interacting with a human being.
  • the technology includes at least a planning procedure and a planning system and the use of an automated assessment module for the determination of
  • Collaboration operation usually separation devices are provided, the working space of a manipulator from the presence or access space of a person
  • Manipulator activity and human activity For example. Can be parts of a human for editing or resumption by one
  • Manipulator can be stored in designated areas. However, the working cells have one
  • Safety devices that provide for a shutdown or extreme speed limit of the manipulator when direct contact between the human and a manipulator is to be feared.
  • Manipulator activity how high resilience and high accuracy are combined. So that nevertheless a safe cooperation is guaranteed, the manipulator should only be operated at such speeds that unacceptable impairments of man even in the event of a collision are avoided. These speeds are considered permissible. In other words, a direct contact between the human and the manipulator during the
  • a collision occurs at too high a speed, a human body part is clamped or crushed between the manipulator and another object, or a collision occurs with a particularly vulnerable body part or body area.
  • the contour of the part involved in the collision i. the boundary geometry involved in a collision has an influence on a risk of injury. On the one hand, this relates to a contour of the manipulator or the
  • the contour of a in the access area of the manipulator arranged external object such as a component or a
  • a scheduling method is for establishing at least one manipulator for collaborative operation with a human.
  • the method is thus a working method which, for example, during the setup or readjustment of a
  • industrial production plant can be carried out. It is preferably carried out automatically or semi-automatically on a computer system. It can
  • Planning procedure becomes a movement plan for the
  • Activity of a manipulator specified The activity concerns a collaboration (interacting
  • Attitudes of one or more people It is therefore not necessary for the planning or monitoring according to the present disclosure that the actual actual position and / or posture of a person during the manipulator or manufacturing plant is concretely known or predetermined or is detected metrologically.
  • the zone definition can be a
  • the planning method comprises at least the following steps, which can preferably be carried out in the stated order. Alternatively, the steps may be partially or fully parallelized or performed in a different order. The steps are:
  • Manipulatorbegna can in particular a
  • Tool such as a gripping tool, and / or include a workpiece and / or a point or any point on the robot itself.
  • the movement plan is preferred as
  • the movement plan can be for a main point of interest (POI), for example a so-called Tool Center Point (TCP) or a manipulator flange be set.
  • POI main point of interest
  • TCP Tool Center Point
  • manipulator flange be set.
  • the assessment module can, for example, a table or database with empirically determined data on
  • Impairment of a person in collisions of a boundary geometry with a particular body part included can
  • a structured context For example, a structured context
  • the evaluation module shows (as a result of the empirical
  • Determination has a structure which, depending on a categorized collision situation, indicates at which collision speeds certain
  • the stored data is queried in reverse order. That is, the scoring module is used to pass in input parameters that specify one of the categorized collision situation and an impairment deemed to be permissible. Based on this input data becomes a speed
  • This speed is considered as the permissible speed for the movement of a reference point of the manipulator or a
  • the movement plan can be assigned a velocity profile that is to be checked. Alternatively or additionally, at a later time, a manual change or a new specification of speeds, which are then to be checked.
  • predefined velocities The speeds, if any, assigned during the initial acquisition are referred to as "predefined velocities”. You can partially or in the course of planning
  • Speed profiles can be quickly and easily transferred to the controller of a manipulator, for example via an online data transmission.
  • a speed profile can be documented and, if necessary, certified with regard to occupational safety. It can be output as a speed-time characteristic and / or as a speed-path characteristic. It preferably includes for all sections in which a human-robot collaboration (MRK) occurs or can occur, the planned speeds as well as the determined permissible speeds.
  • MTK human-robot collaboration
  • the instantaneous speed of a specific reference point (eg TCP, storage location / other POI) is referred to as process speed. It can be a current position of the reference point
  • the planning of the respective process speeds in the sections of the movement plan can be partially or fully automated. As a result, the number of adjustments to a movement plan to achieve a desired job profile, in particular one
  • Speeds in particular an allocation of the maximum permissible process speed, can be fully or partially automated by the planning method (the planning software). This will be the
  • Manipulator activity significantly reduced. Furthermore, the complexity of the planning task is reduced and it can significant cost savings can be achieved. Thus, the overall setup of a manufacturing cell can be significantly accelerated.
  • sections can be determined in the velocity profile in which a planned process speed is higher than a determined permissible one
  • MRK zones in the layout can be done in any way, for example, by manual input or data transfer from an external system. Alternatively, an automated or
  • the accessibility by the manipulator may result from the known structure and the known outer contour of the components of the manipulator and / or its assembly and the other objects defined in the layout.
  • An accessibility by a human within the layout can be determined on the basis of an anthropological database. In such a database
  • Body parts or parts of the body whose presence in a zone is to be expected.
  • the marking of MRK zones can also
  • the MRK zones can alternatively or additionally with
  • Risk classes are assessed.
  • the evaluation can be done in any way. You can on the one hand of the Art depend on an expected collision in a zone. For example, zones where there is a risk of crushing a human body part between the manipulator or the manipulator assembly and another object may be assessed with a higher risk.
  • the rating with risk classes can also be used.
  • a risk assessment can eventually do that
  • Collaboration operations are carried out so that, while maintaining the required safety and minimizing the
  • Disclosure includes a scheduling system for establishing a collaborative manipulator with a human in a shared workspace.
  • the planning system comprises at least one arithmetic unit, an ordered data structure (eg database / file), an input mask and an automated assessment module, wherein the planning system includes the aforementioned
  • Planning procedure is performed.
  • Planning technology also includes the use of an automated assessment module that determines allowable process speeds. The determination of the speeds takes place on the basis of input data, which select a categorized collision situation and, if necessary, specify a permissible impairment. They preferably contain information about a boundary geometry of a moving solid, a moving mass and a human body zone affected by a possible collision.
  • the evaluation module is used for the
  • Affected body zone can be obtained from information about MRK zones and / or assigned risk classes.
  • Input data is preferably automated.
  • the input data is preferably transmitted to the evaluation module as a data tuple, for example in the form of value chains.
  • the evaluation module internally sets a permissible
  • the data tuples can vary depending on the
  • the planning technology further comprises an MRK processing station with a predetermined layout and at least one manipulator, which works in collaboration with a human being, wherein the manipulator Is controlled based on a movement plan.
  • Movement plan includes a trajectory and a
  • the movement plan comprises in particular for each section a planned process speed which is the permissible
  • Figure 1 A manipulator with seven
  • the present disclosure relates to
  • People in particular laying down a Movement plan or a path of movement (Path) for one or more reference points (K1, K2, K3) on the manipulator (10) or a manipulator assembly (36). It also concerns a monitoring procedure.
  • the scheduling method and / or the monitoring method are preferably executed on a computer system (30).
  • a movement plan is understood below to mean at least one trajectory, i. a lot of
  • a movement plan may additionally include a speed profile.
  • Speed Profile contains information about which movements at what time and / or at what
  • a speed profile can be for everyone
  • Sections of a movement plan or be provided for only part of the plan.
  • the manipulator (10) can, in particular by controlling or regulating the drives for the axes of motion (I-VII), be controlled so that a certain
  • Reference point tracked an actual trajectory, which coincides with the motion plan for that reference point
  • monitoring can be carried out for each actual trajectory, which checks whether the permissible speeds determined for this trajectory are maintained. If exceeding the permissible speeds, various measures can be triggered. For example, a warning can be issued to a worker that threatens an increased risk of injury and he should move away from the manipulator. In addition, a log of the overshoot can be generated, which can support a possible revision of the process planning. Finally, it is possible to limit the instantaneous process speed to the permissible speed.
  • the movement plan may contain, in sections or in total, orientation data (u, v, w) which is a
  • FIG. 1 shows by way of example a manipulator (10) in a preferred embodiment. It is a lightweight robot with seven each individually
  • the manipulator (10) can be operated with different control strategies. In particular, it is possible to set the manipulator (10) in a resilient mode in which the manipulator (10) tracks a movement plan under force control.
  • the manipulator can exceed one
  • the manipulator (10) shown in Figure 1 has a total of seven members.
  • the first member (16) is designed as a manipulator hand, on which a flange (12) for receiving a component (36) is arranged.
  • the flange (12) has a flange axis (14). All other members (17,18,20,22,24) to the foot (26) are each connected via a separately controllable movement axis (VI - I) with the respective preceding member.
  • FIG. 4 shows by way of example a layout (32) of a
  • At least one collaboration area (50) is detected, i. an area in which the accessibility of
  • the layout is preferably stored in a planning system two-dimensionally or three-dimensionally as a data model, for example as a CAD model
  • the CAD model can be used to capture the layout newly created and / or imported via an interface.
  • the layout (32) shown in Figure 4 shows several objects, including an L-shaped table in the middle of a manipulator (10) is arranged. On the table, several work areas shown as rectangles are arranged, either only by the human (28) (see work area bottom left), only by the manipulator (10) (see MRK 4 marked area) or in
  • Collaboration area (50) from both the manipulator (10) and from humans (28) can be reached.
  • relevant edges of the objects are preferably marked.
  • relevant edges may preferably be detected additional data, such as a relevant
  • Boundary geometry and boundary radii can be stored as minimum radii. If necessary. can a
  • an MRK activity is to be performed by the manipulator (10) in cooperation with the human (28).
  • the manipulator (10) should perform movements, especially one
  • Manipulatorbe Cultureung (36) may be provided, for example. By picking up workpieces or a tool exchange. To carry out the activity, the manipulator (10) follows a planned movement, ie the movement plan. In the drawings, for the sake of simpler
  • FIG. 4 shows, by way of example, a path of movement (path) which is represented by a movement plan with two
  • Movement plan can be finely divided into subsections.
  • a trajectory for a tool center point (TCP), ie a main reference point (K1) of a manipulator assembly (36), is specified.
  • Reference point (Kl) can be specified in any way. It can be partial or complete in the
  • Movement plan be deposited. Alternatively, it may be calculated and specified by a manipulator controller (48) as appropriate during operation. It can also be predefined in any representation, for example via three solid angles (k, l, m) or by other suitable coordinates. relevant
  • Manipulators (10) are planned and optimized and finally given for the actual activity.
  • the process speeds may be partially or fully considered as the first time the motion is acquired
  • predefined process speeds This may be useful in particular in sections in which an interaction of the manipulator with others
  • Objects should be done, for example, at a
  • Tool change when picking up a workpiece or during an assembly process.
  • the process speeds can also be preset or optimized automatically.
  • Process speeds determined and assigned directly For a partially automated assignment, the planned process speeds can be compared with the determined permissible speeds.
  • a speed profile will display suggestions for changes based on this comparison Planner can be adopted and / or manually adjusted.
  • One or more MRK zones are preferably marked in the layout (32).
  • the labeling can be manual, semi-automated or fully automated.
  • Figure 1 two parts of the
  • Collaboration area (50) in which the presence of a human (28) is provided or possible and in which a collision would also be possible with sensitive parts of the body, such as the larynx or the eyes, marked MRK1. These zones are rated with a high risk (Rl).
  • a second sub-area located above a table surface and in direct
  • Access range of the human (28) is designated MRK2. In this zone is at
  • this zone is assigned to a risk class (R2).
  • a third zone is still inside the table and is not reached by the person (28) in the planned course of MRC activity. For example, it is assigned the risk class (R3).
  • a fourth zone covers a tool magazine arranged next to the manipulator (10) into which, due to safety devices, only the tool magazine
  • Manipulator (10) can intervene.
  • This zone (MRK4) for example, is assigned the risk class (R4).
  • the recording of the layout (32) and the allocation of MRK zones as well as the evaluation with risk classes (R1-R4) is preferably done via an input mask on a
  • Zone specification and / or zone subdivision or used for their naming can also be marked (see FIG. 4) which can not be reached by the manipulator or the manipulator assembly or whose accessibility to the manipulator is precluded by means of technical measures Danger to humans from manipulator activity.
  • a pure "MRK zone” can be one such zone that defines a common manipulator and human working space
  • the zones are pure MRK zones.
  • a so-called "process zone” can be a workspace whose accessibility is intended primarily for the manipulator, but the accessibility for the human being is basically possible in a process zone
  • a permissible impairment in the process zone may be
  • the zone (MRK3) is such a process zone.
  • a so-called "risk zone” may be a working space reserved solely for the manipulator, and there is no interaction or contact between the manipulator and the human subject in a risk zone, and additional safeguards should be provided for access by a human to a risk zone
  • a risk zone may be excluded from MRI planning and / or MRI monitoring. The process speeds may be selected so that injuries may also be expected in the event of collisions.
  • Figure 4 corresponds to the zone (MRK4). a risk zone.
  • FIG. 5 shows an example of a planning system (44). It has a graphical input mask (42,
  • GUI which can assume different states.
  • a plan view of the layout (32) is shown by way of example.
  • the right-hand view shows a velocity profile in the form of a velocity-time characteristic (v-t-slide).
  • v-t-slide a velocity-time characteristic
  • the current planned speeds (v_pl) with the determined permissible speeds (v_zul) are calculated over the course of time of a planned manipulator activity.
  • Such sections of the movement plan in which the planned speed (v_pl) exceeds the allowable speed (v_zul) can be automatically determined and displayed in the method, so that a planner is informed of any necessary changes or a release for a
  • the planning system (44) further comprises a computing unit (40), an ordered data structure (34), in particular in the form of a database or a file, and a
  • the arithmetic unit (40) may be a conventional computer or a software executed thereon.
  • the ordered data structure (34) can be stored on any data carrier.
  • An extract from an evaluation module (38) is shown by way of example in the lower right-hand area of FIG.
  • the extract contains predefined information about a partial mass (ml, m2), a radius of the relevant limit geometry as well as a matrix of permissible speeds for different manipulator assemblies (tools), here for the collision types squish (Vmax_Q) and thrusting
  • the illustrated speed values VI to V6 relate to base values in the event that none
  • the permissible process speed can be determined in each case from such a matrix for the relevant reference point (POI, TCP) and the present zone (MRK1-MRK4).
  • the extract shown is optimized for monitoring an already planned manipulator activity.
  • the planning system (44) can be an anthropological
  • Database for example in the form of a
  • Database or be associated with such. This can be upper and lower limits for
  • Body measurements include and for minimum and maximum
  • FIG. 7 shows an example of an extract from FIG.
  • One or more manipulators (10) with one or more manipulator controls (48) may be part of the planning system (44) or a monitoring system. Alternatively, the planning system (44) or a monitoring system can be connected to such manipulators (10) or manipulator controls (48).
  • Transmission can be done in any way
  • the planning procedure can be an automated or semi-automated optimization of a movement plan be executed.
  • the optimization can be carried out for the movement plan of a main reference point (K1) or for several reference points (K1, K2, K3) of the manipulator (10) and / or a manipulator assembly (36).
  • An optimization may be to propose or directly assign a change in the velocity profile for particular sections or the entire motion plan.
  • An automated or semi-automated optimization is particularly suitable for pure travel paths of the manipulator, i. such
  • Such travel paths can be manually marked or automatically recorded within a movement plan.
  • Sections with an increased hazard potential i. with an injury-promoting movement
  • Sections are recorded and marked in which a planned orientation (H) of a reference point (K1) with a potentially dangerous boundary geometry (G1) at an acute angle, in particular equidistant to the instantaneous direction of movement (I) of this reference point (K1).
  • H planned orientation
  • G1 potentially dangerous boundary geometry
  • Manipulatorbe Swissung (36) and the manipulator (10) may be assigned to different sub-masses (ml, m2).
  • the reference point for the movement path (path) provided according to the movement plan is the pointed end (Kl).
  • the situation illustrated in FIG. 2 corresponds to a part of the movement plan in the first section (Secl) according to FIG. 4.
  • the manipulator assembly could be moved at higher speed for the same allowable degradation if the blunt end (K2) were to protrude.
  • This circumstance can be the basis for optimization. That is generally an optimization achievable, if one Movement plan is modified so that a less dangerous border geometry leads the way in the movement. Because then higher permissible speeds are to be expected.
  • An optimization of the movement plan can be effected, for example, by the planned orientation (H) and / or the planned instantaneous movement in the sections of the travel paths marked as shown above
  • Movement direction (I) of the reference point (Kl) are adapted so that the orientation (H) in the direction of an obtuse angle, in particular an opposite orientation relative to the direction of movement (I)
  • an optimization can take place in that a reference point (K2) with an expected less dangerous limit geometry (G2) is determined on a manipulator assembly (36).
  • the movement plan for the manipulator assembly (36) can then be adjusted within a travel path so that the orientation (H) of this harmless
  • Boundary geometry (G2) of the reference point (K2) at an acute angle, in particular the same orientation, the instantaneous direction of movement (I) of the reference point (K2) is. That an expectedly harmless
  • Boundary geometry (G2) is twisted to the forward side of the movement.
  • any other Boundary geometry (G2) is twisted to the forward side of the movement.
  • optimization method can be used.
  • the above-mentioned optimizations can also be used in a monitoring method, for example while it is returning a reference point to a designated position.
  • a monitoring method for example while it is returning a reference point to a designated position.
  • an operation duration (T) for the activity of the manipulator (10) to be performed is calculated on the basis of a defined movement plan and the respectively planned process speeds (v_pl) (cf.
  • An automated or partially automated optimization of the movement plan can preferably be carried out when the calculated operation time (T) exceeds a desired cycle time.
  • the desired cycle time can for example be present as a target specification and recorded at the beginning of an activity plan. Accordingly, the implementation of an optimization can also be designed automatically.
  • a monitoring procedure can basically all
  • the monitoring method may preferably be a permanent
  • Speeds can be stored with an indication of the currently affected work zone (Zonel - Zone3 / MRK1- MRK4). Such diagrams can also be stored for evidence to prove compliance with operational safety. Modifications and variations of the invention are possible in many ways. In particular, the features shown or described with reference to the exemplary embodiments may be combined with one another in any desired manner, interchanged, supplemented or omitted.
  • the manipulator (10) may have one or more additional ones Have traversing axes. It may alternatively or additionally be arranged on a freely movable body.
  • a collaboration area (50) can be variable during the duration of a collaboration activity and the marking of MRK zones and a
  • Risk assessment can be time-varying accordingly.
  • Condition may relate to a designated activity in which human (28) and manipulator (10) perform the intended movements and a contact between human (28) and manipulator (10) occurs only at the desired times and at the planned locations. For such a condition can only very small
  • Impairments of humans are recognized as permissible.
  • a second state may cover slight changes from the intended activity caused by inadvertent behavioral changes of the human (28). In such a condition, more severe impairments may be allowed but no serious injury

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Technologie zur Planung und Implementierung von Mensch-Roboter-Kollaborationsabläufen. In einem Planungsverfahren wird ein Layout (32) eines Arbeitsbereichs erfasst, in dem ein Mensch (28) und ein Manipulator (10) innerhalb eines Kollaborationsbereichs (50) zusammenwirken. Es werden Mensch-Roboter-Kollaborationszonen (MRK1, MRK2, MRK3, MRK4) gekennzeichnet und ggfs. kollisionsgefährdete Körperzonen oder Körperteile angegeben. Für den Manipulator und/oder eine Manipulatorbestückung werden Grenzgeometrien erfasst und es wird für mindestens einen Bezugspunkt ein Bewegungsplan erfasst. Mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls wird eine zulässige Prozessgeschwindigkeit zur Nachverfolgung des Bewegungsplans ermittelt, bei deren Einhaltung im Falle einer Kollision zwischen Manipulator und Mensch nur mit einer zulässigen Beeinträchtigung des Menschen zu rechnen ist. Auf Basis der ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten wird ein Geschwindigkeitsprofil erstellt.

Description

MRK Planungstechnologie
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Technologie zur Planung und Implementierung von Mensch-Roboter- Kollaborationsabläufen. Unter Mensch-Roboter- Kollaboration (MRK) wird das Zusammenwirken von Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsbereich
verstanden. Der Teil des Arbeitsbereichs, in dem sich der Bewegungsbereich eines Roboters und der Zugriffsbereich eines Menschen überlagern, wird als Kollaborationsbereich bezeichnet. Unter Kollaborativbetrieb wird ein Zustand verstanden, in dem ein oder mehrere für einen bestimmten Zweck entwickelte Roboter (Manipulatoren) in direkter, d.h. interagierender Kooperation mit einem Menschen zusammenarbeiten.
Die Technologie umfasst zumindest ein Planungsverfahren sowie ein Planungssystem und die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls zur Festlegung von
Geschwindigkeiten in einem Bewegungsplan oder einer
Bewegungsbahn für einen Manipulator.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Technologie aufzuzeigen, mit der die Planung,
Inbetriebnahme und Überwachung von einem oder mehreren Robotern (Manipulatoren) für den Kollaborativbetrieb verbessert werden können. Die Erfindung löst diese
Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen in den
jeweiligen eigenständigen Ansprüchen. Es wird im Folgenden zwischen einer Planung, einem eigentlichen Betrieb und einer Überwachung des Betriebs eines Manipulators unterschieden. Ferner wird zwischen dem hier vorgesehenen Kollaborativbetrieb mit
interagierender Zusammenarbeit von Mensch und Manipulator einerseits und dem von früheren Anwendungen bekannten Kooperationsbetrieb unterschieden. Bei einem
Kooperationsbetrieb sind in der Regel Trenneinrichtungen vorgesehen, die den Arbeitsraum eines Manipulators vom Anwesenheits- oder Zugriffsraum eines Menschen
vollständig oder überwiegend separieren. Beim
Kooperationsbetrieb können zwar definierte
Überschneidungspunkte bzw. begrenzte Überlappungsbereiche vorgesehen sein, an denen zeitweise entweder der
Manipulator oder ein Mensch agieren oder auch eine klar zeitlich oder räumlich begrenzte Überschneidung der
Manipulatortätigkeit und der menschlichen Tätigkeit vorgesehen ist. Bspw. können Teile von einem Menschen für die Bearbeitung oder Wiederaufnahme durch einen
Manipulator an dafür vorgesehenen Bereichen abgelegt werden. Jedoch verfügen die Arbeitszellen für einen
Kooperativbetrieb in der Regel über
Sicherheitseinrichtungen, die eine Abschaltung oder extreme Geschwindigkeitsbegrenzung des Manipulators vorsehen, wenn ein direkter Kontakt zwischen dem Menschen und einem Manipulator zu befürchten ist. Beim
Kooperationsbetrieb wird also von einem eher digitalen Bewertungssystem für Mensch-Roboter-Kollisionen
ausgegangen, bei dem quasi jede Berührung als potenziell gefährlich eingestuft wird. Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration ist die direkte Mitarbeit bzw. Zusammenarbeit zwischen einem Menschen und einem Manipulator jedoch erwünscht und erforderlich. Die Vorteile der menschlichen Lösungskompetenz und
Flexibilität sollen mit den Vorteilen der
Manipulatortätigkeit, wie hoher Belastbarkeit und hoher Genauigkeit kombiniert werden. Damit dennoch ein sicheres Zusammenarbeiten gewähreistet ist, soll der Manipulator nur jeweils mit solchen Geschwindigkeiten betrieben werden, dass unzulässige Beeinträchtigungen des Menschen selbst im Falle der Kollision vermieden werden. Diese Geschwindigkeiten werden als zulässig betrachtet. Mit anderen Worten wird eine direkte Berührung zwischen dem Menschen und dem Manipulator während der
Manipulatortätigkeit und insbesondere auch während seiner Bewegung innerhalb der Arbeitszelle explizit zugelassen. Dasselbe gilt für eine Manipulatorbestückung.
Von dem Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung kann im Falle einer unvorhergesehenen Kollision eine
Verletzungsgefahr ausgehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn größere Massen bewegt werden, eine
Kollision mit einer zu hohen Geschwindigkeit auftritt, ein menschliches Körperteil zwischen den Manipulator bzw. der Bestückung und einem anderen Objekt geklemmt oder gequetscht wird, oder eine Kollision mit einem besonders verletzlichen Körperteil oder Körperbereich geschieht. Auch die Kontur des an der Kollision beteiligten Teils, d.h. die in eine Kollision einbezogene Grenzgeometrie, hat Einfluss auf eine Verletzungsgefahr. Dies betrifft einerseits eine Kontur des Manipulators bzw. der
Manipulatorbestückung. Andererseits kann die Kontur eines im Zugriffsbereich des Manipulators angeordneten externen Gegenstands, wie eines Bauteils oder einer
vorrichtungstechnischen Einrichtung, relevant sein, sofern sie an der Kollision beteiligt ist. Dies betrifft besonders den Fall einer Quetschung eines menschlichen Körperteils zwischen einem Manipulator bzw. einer
Manipulatorbestückung und dem externen Gegenstand.
Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen von
Industrierobotern ist bei der Mensch-Roboter- Kollaboration eine länger andauernde Anwesenheit von mindestens einem Menschen im Bewegungsraum des mindestens einen Manipulators vorgesehen und es gibt keine strikte zeitliche oder örtliche Separation der Tätigkeitsbereiche von Mensch und Manipulator. Vielmehr überlappen sich der Bewegungsraum des Manipulators und der Zugriffsbereich des Menschen. Der Überlappungsbereich wird als
Kollaborationsbereich bezeichnet .
Ein Planungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dient zur Einrichtung mindestens eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen. Das Verfahren ist somit ein Arbeitsverfahren, das beispielsweise während der Einrichtung oder Neuanpassung einer
industriellen Produktionsanlage durchgeführt werden kann. Es wird bevorzugt automatisiert oder teilautomatisiert auf einem Computersystem ausgeführt. Es kann
beispielsweise in Form einer Software umgesetzt sein und Schnittstellen zu einem Manipulator bzw. zu einer
Manipulatorsteuerung aufweisen. Durch das
Planungsverfahren wird ein Bewegungsplan für die
Tätigkeit eines Manipulators vorgegeben. Die Tätigkeit betrifft eine Kollaboration ( interagierende
Zusammenarbeit) mit einem Menschen. Der Ort der
Zusammenarbeit zwischen Mensch und Manipulator ist räumlich festlegbar und in sog. Mensch-Roboter- Kollaborationszonen (MRK-Zonen) einteilbar.
Die Bestimmung von unterscheidbaren MRK-Zonen bietet die Möglichkeit, eine Planung bzw. Überwachung einer
Kollaborationstätigkeit durchzuführen, bei der die möglichen bzw. vorgesehen Aufenthaltspositionen und
Haltungen eines oder mehrerer Menschen berücksichtigt werden. Es ist also für die Planung oder Überwachung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht erforderlich, dass die tatsächliche Ist-Position und/oder Haltung eines Menschen während des Manipulator- bzw. Fertigungsbetriebs konkret bekannt oder vorgegeben ist oder messtechnisch erfasst wird. Durch die Zonen-Definition kann ein
Kollaborativbetrieb für alle vorgesehenen Betriebs- bzw. Fertigungszustände in sicherer Weise geplant und während des Betriebs überwacht werden, um eine robuste Basis- Absicherung zu gewährleisten. Darüber hinaus können aber natürlich weitere SicherheitSeinrichtungen vorgesehen sein, die auch bei unerwünschten Abweichungen von den vorgesehenen Betriebs- bzw. Fertigungszuständen steuernd auf einen Manipulator einwirken, um Verletzungen oder Störungen zu vermeiden. Solche SicherheitSeinrichtungen können als Ergänzung zur vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden und bspw. Kamerasysteme umfassen, die eine tatsächliche Position oder Haltung eines oder mehrerer Menschen erfassen und sie können nach gleichen oder ähnlichen Verfahrensschritten maximal zulässige Geschwindigkeiten ermitteln oder zuweisen. Das Planungsverfahren umfasst zumindest die nachfolgend genannten Schritte, die bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Alternativ können die Schritte teilweise oder vollständig parallelisiert oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Schritte sind:
• Erfassen eines Layouts eines Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator in Menschen-Robotor- Kollaboration betrieben werden soll. Das Layout wird in einer geordneten Datenstruktur abgelegt,
beispielsweise in Form einer CAD-Datei.
• Kennzeichnung von einem oder mehreren Teilbereichen des Layouts als Mensch-Roboter-Kollaborationszonen;
• Erfassen einer vorgesehenen Manipulatorbestückung für die durchzuführende Tätigkeit. Die
Manipulatorbestückung kann insbesondere ein
Werkzeug, beispielsweise ein GreifWerkzeug, und/oder ein Werkstück umfassen und/oder eine Stelle oder einen beliebigen Punkt am Roboter selbst. Es werden insbesondere Außenkonturen der Manipulatorbestückung sowie Massen und ggf. Schwerpunktkoordinaten
erfasst ;
• Erfassen eines Bewegungsplans für eine von dem
Manipulator durchzuführende Tätigkeit innerhalb des Layouts. Der Bewegungsplan wird bevorzugt als
Trajektorie, d. h. als Bewegungslinie erfasst und im Hinblick auf Lage und Orientierung festgelegt. Der Bewegungsplan kann für einen Hauptbezugspunkt (Point of Interest POI), beispielsweise einen sog. Tool Center Point (TCP) oder einen Manipulatorflansch festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bewegungsplan für weitere Bezugspunkte des
Manipulators und/oder der Manipulatorbestückung festgelegt sein;
• Ermittlung von zulässigen Prozessgeschwindigkeiten für Abschnitte des Bewegungsplans mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls und auf Basis der erfassten Daten. Das automatisierte Bewertungsmodul gibt solche Geschwindigkeiten aus, die bei einer Kollision des Manipulators bzw. der
Manipulatorbestückung mit dem Menschen und ggf.
unter Einwirkung weiterer Objekte in dem Layout zu einer als zulässig erachteten Beeinträchtigung führen würden.
Das Bewertungsmodul kann beispielsweise eine Tabelle oder Datenbank mit empirisch ermittelten Daten über
Beeinträchtigungen eines Menschen bei Kollisionen einer Grenzgeometrie mit einem bestimmten Körperteil enthalten. In einer solchen Tabelle oder Datenbank kann
beispielsweise ein strukturierter Zusammenhang
hergestellt sein, zwischen:
• Vorbestimmten Grenzgeometrien (sog. Primitive wie Keilform / Prisma, Kegel, Pyramide, Sphäre etc. mit unterschiedlichen Radien, Öffnungswinkeln,
Kantenlängen etc.);
• Kollisionsgeschwindigkeiten;
• Bewegten Massen des mit dem Menschen in Kollision gebrachten Körpers; • Erfassten Beeinträchtigungen (bspw.: keine
Beeinträchtigung, Schmerzempfinden, Prellung ohne Verletzung der Haut, leichte oberflächliche
Hautverletzung, mittelgradige Verletzung der Haut, etc . )
Das Bewertungsmodul weist (infolge der empirischen
Ermittlung) eine Struktur auf, die in Abhängigkeit von einer kategorisierten Kollisionssituation angibt, bei welchen Kollisionsgeschwindigkeiten bestimmte
Beeinträchtigungen auftreten.
Bei der Ermittlung der zulässigen Geschwindigkeiten werden die abgelegten Daten in umgekehrter Reihenfolge abgefragt. Das heißt, das Bewertungsmodul wird in der Weise verwendet, dass Eingabe-Parameter übergeben werden, die eine der kategorisierten Kollisionssituation und eine als zulässig erachtete Beeinträchtigung festlegen. Anhand dieser Eingabedaten wird eine Geschwindigkeit
(insbesondere die höchste Geschwindigkeit) abgefragt, die diesen Parametern entspricht. Diese Geschwindigkeit wird als zulässige Geschwindigkeit für die Bewegung eines Bezugspunktes des Manipulators oder einer
Manipulatorbestückung übernommen .
Durch das Planungsverfahren kann die Sicherheit der
Mensch-Roboter-Kollaboration erhöht werden. Für jeden Abschnitt des Bewegungsplans kann eine Prüfung erfolgen, welche maximal zulässigen Geschwindigkeiten angewendet werden können, bzw. ob bereits geplante
Prozessgeschwindigkeiten die ermittelten zulässigen Prozessgeschwindigkeiten überschreiten. Diese Prüfung kann ggfs. wiederholt durchgeführt werden.
Bereits bei der Ersterfassung kann dem Bewegungsplan ein Geschwindigkeitsprofil zugeordnet werden, das überprüft werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann zu einem späteren Zeitpunkt eine manuelle Veränderung oder eine Neuvorgabe von Geschwindigkeiten erfolgen, die dann zu prüfen sind.
Die in dem Bewegungsplan enthaltenen
Geschwindigkeitswerte werden allgemein als „geplante
Geschwindigkeiten" bezeichnet. Die gegebenenfalls bei der Ersterfassung zugewiesenen Geschwindigkeiten werden als „vordefinierte Geschwindigkeiten" bezeichnet. Sie können im weiteren Verlauf der Planung teilweise oder
vollständig durch andere Geschwindigkeitswerte ersetzt werden .
Ein Bewegungsplan und ein zugewiesenes
Geschwindigkeitsprofil können auf schnelle und einfache Weise in die Steuerung eines Manipulators übertragen werden, bspw. über eine online-Datenübertragung.
Hierdurch kann ein Bewegungsplan sehr schnell in eine tatsächliche Tätigkeit umgesetzt werden.
Ein Geschwindigkeitsprofil kann dokumentiert und ggf. im Hinblick auf die Arbeitssicherheit zertifiziert werden. Es kann als Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik und/oder als Geschwindigkeits-Weg-Charakteristik ausgegeben werden. Es beinhaltet bevorzugt für alle Abschnitte, in denen eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) auftritt oder auftreten kann, die geplanten Geschwindigkeiten sowie die ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten. Ein solches Geschwindigkeitsprofil kann als überprüf arer Nachweis für eine den Sicherheitsanforderungen
entsprechende Auslegung eines MRK-Betriebs genutzt werden und dient so der Ermöglichung des Einsatzes von MRK- Systemen in der industriellen Fertigung.
Im Folgenden wird die momentane Geschwindigkeit eines bestimmten Bezugspunktes (bspw. TCP, Lagerstelle / anderer POI) als Prozessgeschwindigkeit bezeichnet. Sie kann einer momentanen Position des Bezugspunktes
zugewiesen sein.
Die Planung der jeweiligen Prozessgeschwindigkeiten in den Abschnitten des Bewegungsplans kann teil- oder vollautomatisiert erfolgen. Hierdurch wird die Zahl der Anpassungen eines Bewegungsplans zur Erreichung eines erwünschten Tätigkeitsprofils, insbesondere einer
gewünschten Taktzeit, erheblich reduziert. Von einem Planer muss in dem Bewegungsplan zunächst lediglich eine Trajektorie für die von dem Manipulator auszuführende Tätigkeit vorgegeben werden. Auf das Vordefinieren von Geschwindigkeiten für diesen Bewegungsplan kann teilweise oder vollständig verzichtet werden. Die Planung der
Geschwindigkeiten, insbesondere eine Zuweisung der jeweils maximal zulässigen Prozessgeschwindigkeit, kann voll- oder teilautomatisiert durch das Planungsverfahren (die Planungssoftware) erfolgen. Hierdurch wird der
Zeitaufwand für die Planung und Auslegung der
Manipulatortätigkeit erheblich reduziert. Ferner wird die Komplexität der Planungsaufgabe verringert und es können erhebliche Kosteneinsparungen erreicht werden. Somit kann die Einrichtung einer Fertigungszelle insgesamt deutlich beschleunigt werden.
Wenn Geschwindigkeiten vordefiniert oder manuell
angepasst worden sind oder wenn eine Änderung von anderen Parametern des Layouts oder der Trajektorie erfolgt sind, können in dem Geschwindigkeitsprofil Abschnitte ermittelt werden, in denen eine geplante Prozessgeschwindigkeit höher ist als eine ermittelte zulässige
Prozessgeschwindigkeit. Mit anderen Worten können
diejenigen Bereiche ermittelt und angezeigt werden, die noch nicht den Sicherheitsanforderungen entsprechen. Für solche Abschnitte kann eine manuelle oder ggf. eine automatisierte Optimierung des Bewegungsplans vorgesehen werden.
Die Festlegung von MRK-Zonen in dem Layout kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch manuelle Eingabe oder Datenübernahme von einem externen System. Alternativ kann eine automatisierte oder
teilautomatisierte Zonenfestlegung erfolgen. Hierfür können insbesondere die Erreichbarkeit eines bestimmten Bereichs innerhalb des Layouts einerseits durch den
Manipulator bzw. die Manipulatorbestückung und
andererseits durch einen Menschen berücksichtigt werden. Die Erreichbarkeit durch den Manipulator kann sich aus dem bekannten Aufbau und der bekannten Außenkontur der Bestandteile des Manipulators und/oder seiner Bestückung sowie den im Layout festgelegten sonstigen Objekten ergeben . Eine Erreichbarkeit durch einen Menschen innerhalb des Layouts kann auf Basis einer anthropologischen Datenbasis ermittelt werden. In einer solchen Datenbasis
(insbesondere Datenbank) sind für unterschiedliche Größen von Menschen - meist nach Perzentilen geordnet - vielerlei Daten hinterlegt, wie beispielsweise
Körpermaße, Bewegungszonen, aufbringbare Kräfte etc. In Abhängigkeit von dem Layout können potentielle
Aufenthaltsorte eines Menschen und davon ausgehend mit bestimmten Körperteilen erreichbare Räume berechnet werden. Diese Räume können, soweit sie sich mit der
Erreichbarkeit durch einen oder mehrere Manipulatoren überlappen, als potentielle MRK-Zonen identifiziert werden. Ferner können in Abhängigkeit von einer
anthropologischen Datenbasis automatisch diejenigen
Körperteile oder Körperbereiche ermittelt werden, deren Anwesenheit in einer Zone zu erwarten ist.
Die Kennzeichnung von MRK-Zonen kann auch
teilautomatisiert erfolgen, wobei zunächst auf Basis des Layouts und der anthropologischen Datenbasis Vorschläge für eine Zoneneinteilung erzeugt werden und dann
anschließend eine manuelle Nachkennzeichnung erfolgt.
Für die MRK-Zonen werden bevorzugt potenziell von einer Kollision betroffene Körperteile oder Körperregionen eines Menschen angegeben. Ferner kann eine zu erwartende Kollisionsart angegeben werden.
Die MRK-Zonen können alternativ oder zusätzlich mit
Risikoklassen bewertet werden. Die Bewertung kann auf beliebige Weise erfolgen. Sie kann einerseits von der Art einer zu erwartenden Kollision in einer Zone abhängen. Beispielsweise können Zonen, in denen eine Quetschgefahr für ein menschliches Körperteil zwischen dem Manipulator oder der Manipulatorbestückung und einem anderen Objekt besteht, mit einem höheren Risiko bewertet werden.
Demgegenüber können Zonen, in denen lediglich ein
Zusammenstoßen mit einem ausweichfähigen Körperteil des Menschen zu erwarten ist, mit einer niedrigeren
Risikoklasse bewertet werden usw. Ferner kann die
Risikobewertung in Abhängigkeit von den Körperteilen oder Körperregionen des Menschen vorgenommen werden, deren Anwesenheit in der jeweiligen Zone erwartet werden kann.
Die Bewertung mit Risikoklassen kann ebenfalls
automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen,
insbesondere in Abhängigkeit von dem Layout und dem
Bewegungsplan, sowie ggf. in Abhängigkeit von den
potentiell von einer Kollision betroffenen Körperteilen.
Eine Risikobewertung kann schließlich dahingehend
erfolgen, ob die Anwesenheit eines Menschen bzw. eines Körperteils des Menschen in der jeweiligen MRK-Zone bei bestimmungsgemäßer Durchführung der Tätigkeit vorgesehen, möglich oder verboten bzw. durch andere Maßnahmen
ausgeschlossen ist.
Durch die Festlegung der MRK-Zonen kann eine besonders genaue und risikogerechte Planung eines
Kollaborationsbetriebs erfolgen, so dass bei Einhaltung der erforderlichen Sicherheit und Minimierung des
Verletzungsrisikos eine maximale Effizienz der
Manipulatortätigkeit erreichbar wird. Die Planungstechnologie gemäß der vorliegenden
Offenbarung umfasst ein Planungssystem zur Einrichtung eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen in einer gemeinsamen Arbeitszone. Das
Planungssystem umfasst zumindest eine Recheneinheit, eine geordnete Datenstruktur (bspw. Datenbank / Datei), eine Eingabemaske sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul, wobei durch das Planungssystem das vorgenannte
Planungsverfahren ausgeführt wird. Die Planungstechnologie umfasst ferner die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls, das zulässige Prozessgeschwindigkeiten ermittelt. Die Ermittlung der Geschwindigkeiten erfolgt auf Basis von Eingabedaten, die eine kategorisierte Kollisionssituation auswählen und ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung angeben. Sie enthalten bevorzugt Angaben über eine Grenzgeometrie eines bewegten Festkörpers, eine bewegte Masse und eine von einer eventuellen Kollision betroffene menschliche Körperzone . Die Verwendung des Bewertungsmoduls erfolgt für die
Einrichtung eines Manipulators für den
Kollaborativbetrieb . Die Eingabedaten werden aus
geplanten Prozessdaten, insbesondere aus einem
Bewegungsplan eines Manipulators sowie dessen bekannten Geometrien (Außenkonturen) und Massen (Massenverteilung) gewonnen. Eine Angabe über eine von der Kollision
betroffene Körperzone kann aus Informationen über MRK- Zonen und/oder zugewiesenen Risikoklassen gewonnen werden. Die Gewinnung und Zusammenstellung der
Eingabedaten erfolgt bevorzugt automatisiert. Die Eingabedaten werden bevorzugt als Daten-Tupel, beispielsweise in der Form von Werteketten, an das Bewertungsmodul übermittelt. Für jedes Daten-Tupel wird durch das Bewertungsmodul intern eine zulässige
(maximale) Prozessgeschwindigkeit ermittelt. Die interne Ermittlung erfolgt auf beliebige Weise, insbesondere durch Abruf aus einer Tabelle oder Datenbank mit
empirisch ermittelten Werten.
Die Daten-Tupel können in Abhängigkeit von dem
verwendeten Bewertungsmodul zusammengesetzt sein. Sie können beispielsweise als Übergabe-Informationen
beinhalten : eine im Kollisionspunkt wirksame Masse,
eine oder mehrere im Falle einer Kollision
kontaktgefährdete menschliche Körperzonen oder
Körperbereiche, und/oder eine Risikoklasse, eine Grenzgeometrie (Kollisionsgeometrie /
Primitive) im Bezugspunkt,
ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung. Auf Basis der von dem Bewertungsmodul ausgegebenen momentan zulässigen Geschwindigkeit wird die
Prozessgeschwindigkeit des Manipulators geplant und vorgegeben .
Die Planungstechnologie umfasst weiterhin eine MRK- Bearbeitungsstation mit einem vorbestimmten Layout und mindestens einem Manipulator, der im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen arbeitet, wobei der Manipulator auf Basis eines Bewegungsplans gesteuert wird. Der
Bewegungsplan umfasst eine Trajektorie und ein
Geschwindigkeitsprofil, die durch ein vorgenanntes Planungsverfahren vorgegeben sind. Der Bewegungsplan umfasst insbesondere für jeden Abschnitt eine geplante Prozessgeschwindigkeit, die die zulässige
Prozessgeschwindigkeit einhält oder unterschreitet.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung aufgezeigt.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen im Einzelnen:
Figur 1: Einen Manipulator mit sieben
Bewegungsachsen und sieben Gliedern im Schrägbild;
Alternative Orientierungen einer
Manipulatorbestückung bei der
Nachverfolgung einer Bewegungsbahn;
Eine Draufsicht auf ein Layout für eine Arbeitszone, in der ein Manipulator im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen tätig ist;
Eine schematische Darstellung eines PIanungsSystems ;
Ein Oszillator-Diagramm zur
Gegenüberstellung von tatsächlichen und zulässigen Geschwindigkeiten eines Manipulators mit Hervorhebung einer betroffenen MRK-Zone;
Einen Auszug aus einer anthropologischen Datenbasis .
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein
Planungsverfahren zur Einrichtung mindestens eines
Manipulators (10) für den Kollaborativbetrieb mit
Menschen (28), insbesondere zur Festlegung eines Bewegungsplans bzw. einer Bewegungsbahn (Path) für einen oder mehrere Bezugspunkte (K1,K2,K3) an dem Manipulator (10) oder einer Manipulatorbestückung (36). Sie betrifft ferner ein Überwachungsverfahren. Das Planungsverfahren und/oder das Überwachungsverfahren werden bevorzugt auf einem Computersystem (30) ausgeführt.
Unter einem Bewegungsplan wird im Folgenden zumindest eine Trajektorie verstanden, d.h. eine Menge von
Positionskoordinaten (Χ,Υ,Ζ), die von einem Bezugspunkt (K1,K2,K3) in einer vorgegebenen Reihenfolge erreicht werden sollen. Ein Bewegungsplan kann zusätzlich ein Geschwindigkeitsprofil umfassen. Das
Geschwindigkeitsprofil enthält Angaben darüber, welche Bewegungen zu welchem Zeitpunkt und/oder an welcher
Position mit welcher Geschwindigkeit ausgeführt werden sollen. Ein Geschwindigkeitsprofil kann für alle
Abschnitte eines Bewegungsplans oder nur für einen Teil des Plans vorgesehen sein.
Der Manipulator (10) kann, insbesondere durch Steuerung oder Regelung der Antriebe für die Bewegungsachsen (I- VII), so gesteuert werden, dass ein bestimmter
Bezugspunkt eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgt, die mit dem Bewegungsplan für diesen Bezugspunkt
übereinstimmt. Wenn die tatsächliche Bewegungsbahn von dem Bewegungsplan abweicht, kann ggfs. eine
automatisierte Rückführung zur geplanten Bahn erfolgen. Ferner kann für jede tatsächliche Bewegungsbahn eine Überwachung ausgeführt werden, die überfprüft ob die für diese Bahn ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten eingehalten werden. Falls ein Überschreiten der zulässigen Geschwindigkeiten festgestellt wird, können verschiedene Maßnahmen ausgelöst werden. Beispielsweise kann eine Warnung an einen Werker ausgegeben werden, dass eine erhöhte Verletzungsgefahr droht und er sich vom Manipulator wegbewegen solle. Ferner kann ein Protokoll über die erfolgte Überschreitung erzeugt werden, das eine eventuelle Überarbeitung der Prozessplanung unterstützen kann. Schließlich kann eine Begrenzung der momentanen Prozessgeschwindigkeit auf die zulässige Geschwindigkeit erfolgen.
Der Bewegungsplan kann abschnittsweise oder insgesamt Orientierungsdaten (u,v,w) beinhalten, die eine
Ausrichtung des Bezugspunkts im Raum vorgeben.
Figur 1 zeigt beispielhaft einen Manipulator (10) in einer bevorzugten Ausführungsform. Es handelt sich um einen Leichtbauroboter mit sieben jeweils einzeln
ansteuerbaren Achsen (I - VII) . Der Manipulator (10) kann mit verschiedenen Regelungsstrategien betrieben werden. Insbesondere ist es möglich, den Manipulator (10) in eine federnde Betriebsart zu versetzen, in der der Manipulator (10) kraftgeregelt einen Bewegungsplan verfolgt.
Der Manipulator kann bei Überschreitung einer
voreingestellten Gegenkraft, beispielsweise im
Kollisionsfall, stehen bleiben oder ausweichen und somit eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgen, die gegenüber dem Plan abweicht. Durch die federnde Betriebsart wird erreicht, dass der Manipulator schnell zur geplanten Bahn zurückkehrt, und durch die Ausweichfähigkeit wird das Verletzungsrisiko verringert. Der in Figur 1 dargestellte Manipulator (10) weist insgesamt sieben Glieder auf. Das erste Glied (16) ist als Manipulatorhand ausgebildet, an der ein Flansch (12) zur Aufnahme einer Bestückung (36) angeordnet ist. Der Flansch (12) hat eine Flanschachse (14) . Alle weiteren Glieder (17,18,20,22,24) bis hin zum Fuß (26) sind über jeweils eine separat steuerbare Bewegungsachse (VI - I) mit dem jeweils vorhergehenden Glied verbunden. Die
Glieder sind so ausgebildet, dass sie Außenkonturen mit großen Radien aufweisen und auch bei einer eingezogenen Haltung des Manipulators (10) jeweils genügend Freiraum zwischen den Gliedern lassen, so dass Klemmungen der Hände oder anderer Körperteile weitgehend vermieden werden . Figur 4 zeigt beispielhaft ein Layout (32) eines
Arbeitsbereichs, in dem eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ausgeführt werden soll. In dem Layout sind mehrere Objekte erfasst, darunter insbesondere ein Manipulator (10) und gegebenenfalls vorgesehene Aufenthaltsbereiche für einen Menschen (28) . In dem Layout ist ferner
mindestens ein Kollaborationsbereich (50) erfasst, d.h. ein Bereich in dem sich die Erreichbarkeit von
Manipulator (10) und Mensch (28) überschneiden. Außerhalb des Kollaborationsbereichs liegt eine „Freie Zone", die durch den Manipulator nicht erreichbar ist. Das Layout ist bevorzugt in einem Planungssystem zweidimensional oder dreidimensional als Datenmodell hinterlegt. Es kann beispielsweise als CAD-Modell vorliegen. Das CAD-Modell kann zur Erfassung des Layouts neu erzeugt und/oder über eine Schnittstelle importiert werden. Das in Figur 4 dargestellte Layout (32) zeigt mehrere Objekte, darunter einen L-förmigen Tisch in dessen Mitte ein Manipulator (10) angeordnet ist. Auf dem Tisch sind mehrere als Rechtecke dargestellte Arbeitsbereiche angeordnet, die entweder nur von dem Menschen (28) (siehe Arbeitsbereich links unten), nur von dem Manipulator (10) (siehe mit MRK 4 gekennzeichneten Bereich) oder im
Kollaborationsbereich (50) sowohl vom Manipulator (10) als auch vom Menschen (28) erreichbar sind. Für eine potenzielle Quetschung relevante Kanten der Objekte werden bevorzugt gekennzeichnet. In Figur 4 ist
beispielsweise eine Kante (K4) eines Behälters (externes Objekt) hervorgehoben, an der eine Manipulatorbestückung vorbeigeführt wird. Für solche für Quetschungen
relevanten Kanten können bevorzugt zusätzliche Daten erfasst werden, wie beispielsweise eine relevante
Grenzgeometrie sowie Grenzradien. Die Grenzradien können als Mindestradien hinterlegt sein. Ggfs. kann eine
Erfassung der für Quetschungen relevanten Kanten
automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen.
Innerhalb des Layouts (32) soll durch den Manipulator (10) in Zusammenwirkung mit dem Menschen (28) eine MRK- Tätigkeit ausgeführt werden. Hierbei soll der Manipulator (10) Bewegungen ausführen, insbesondere ein
angeflanschtes Werkzeug und/oder Werkstück bewegen und dabei ggf. mit anderen Objekten oder dem Menschen (28) zusammenwirken. Es können auch Wechsel der
Manipulatorbestückung (36) vorgesehen sein, bspw. durch Aufnehmen von Werkstücken oder einen Werkzeugtausch. Für die Durchführung der Tätigkeit folgt der Manipulator (10) einer geplanten Bewegung, d.h. dem Bewegungsplan. In den Zeichnungen wird aus Gründen der einfacheren
Darstellung nicht zwischen einem Bewegungsplan und der tatsächlich verfolgten Bewegungsbahn (Path)
unterschieden .
In Figur 4 ist beispielhaft eine Bewegungsbahn (Path) gezeigt, die durch einen Bewegungsplan mit zwei
Hauptabschnitten (Secl,Sec2) vorgegeben ist. Der
Bewegungsplan kann beliebig fein in Unterabschnitte untergliedert sein. In dem gezeigten Beispiel ist eine Bewegungsbahn für einen Tool-Center-Point (TCP) , also einen Hauptbezugspunkt (Kl) einer Manipulatorbestückung (36), vorgegeben. Die Orientierung (H) dieses
Bezugspunkts (Kl) kann auf beliebige Weise festgelegt sein. Sie kann teilweise oder vollständig in dem
Bewegungsplan hinterlegt sein. Alternativ kann sie durch eine Manipulatorsteuerung (48) in geeigneter Weise während des Betriebs berechnet und vorgegeben werden. Sie kann ferner in einer beliebigen Repräsentation vorgegeben sein, beispielsweise über drei Raumwinkel (k,l,m) oder durch andere geeignete Koordinaten. Relevante
Bezugspunkte (POI), für die eine Bewegungsplanung
und/oder eine Überwachung erfolgen können, sind neben den vorgenannten Punkten: Gelenkmittelpunkte, Punkten auf der Roboteraußenhaut, Flanschpunkte sowie Werkzeugpunkte. Je nach Ausbildung von Manipulator (10) und Bestückung (36) sowie der durchzuführenden Tätigkeit können auch andere Punkte relevant sein. Um eine möglichst hohe Effizienz der
Kollaborationstätigkeit zu erreichen, ist es
wünschenswert, dass die Bewegungen des Manipulators (10) und/oder der Manipulatorbestückung (36) mit hoher
Geschwindigkeit und auf möglichst kurzen Wegen
stattfinden. Andererseits soll das Verletzungsrisiko für den Menschen (28) minimiert werden.
Durch das offenbarungsgemäße Planungsverfahren kann auf übersichtliche und schnelle Weise eine Bewegung des
Manipulators (10) geplant und optimiert sowie schließlich für die tatsächliche Tätigkeit vorgegeben werden. Die Prozessgeschwindigkeiten können bei der Ersterfassung des Bewegungsplans teilweise oder vollständig als
vordefinierte Prozessgeschwindigkeiten festgelegt sein. Dies kann insbesondere in Abschnitten sinnvoll sein, in denen eine Interaktion des Manipulators mit anderen
Objekten erfolgen soll, beispielsweise bei einem
Werkzeugwechsel, bei der Aufnahme eines Werkstücks oder bei einem Montagevorgang. Die Prozessgeschwindigkeiten können auch automatisiert vorgegeben oder optimiert werden. Durch das
Planungsverfahren werden dann für die jeweiligen
Abschnitte des Bewegungsplans die zulässigen
Prozessgeschwindigkeiten ermittelt und direkt zugewiesen. Bei einer teilautomatisierten Zuweisung können die geplanten Prozessgeschwindigkeiten mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten verglichen werden. In einem Geschwindigkeitsprofil werden auf Basis dieses Vergleichs Vorschläge für Veränderungen angezeigt, die von einem Planer übernommen und/oder manuell angepasst werden können .
In dem Layout (32) werden bevorzugt eine oder mehrere MRK-Zonen (MRK1-MRK4) gekennzeichnet. Die Kennzeichnung kann manuell, teilautomatisiert oder voll automatisiert erfolgen. In Figur 1 sind zwei Teile des
Kollaborationsbereichs (50), in denen die Anwesenheit eines Menschen (28) vorgesehen oder möglich ist und in denen eine Kollision auch mit empfindlichen Körperteilen, wie beispielsweise dem Kehlkopf oder den Augen möglich wäre, mit MRK1 gekennzeichnet. Diese Zonen sind mit einem hohen Risiko (Rl) bewertet. Ein zweiter Teilbereich, der sich über einer Tischoberfläche und in direkter
Zugriffsreichweite des Menschen (28) befindet, ist mit MRK2 bezeichnet. In dieser Zone ist bei
bestimmungsgemäßem Verhalten des Menschen (28) mit einer Kollision des Manipulators (28) mit Händen oder Armen des Menschen (28) zu rechnen. Dieser Zone ist beispielsweise einer Risikoklasse (R2) zugeordnet. Eine dritte Zone befindet sich weiter im Tischinneren und wird durch den Menschen (28) im vorgesehenen Verlauf der MRK-Tätigkeit nicht erreicht. Ihr ist beispielsweise die Risikoklasse (R3) zugeordnet. Eine vierte Zone überdeckt ein neben dem Manipulator (10) angeordnetes Werkzeugmagazin, in das auf Grund von Sicherheitsvorrichtungen ausschließlich der
Manipulator (10) eingreifen kann. Dieser Zone (MRK4) ist beispielsweise die Risikoklasse (R4) zugeordnet.
Die Erfassung des Layouts (32) und die Zuweisung von MRK- Zonen sowie ggfs. die Bewertung mit Risikoklassen (R1-R4) erfolgt bevorzugt über eine Eingabemaske an einem
PIanungsSystem.
Alternativ oder zusätzlich können andere Formen der
Zonenvorgabe und/oder Zonenunterteilung bzw. zu deren Benennung genutzt werden. In dem Layout können auch die sog. „freie Zonen" gekennzeichnet werden (siehe Figur 4), die vom Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung nicht erreicht werden können oder deren Erreichbarkeit für den Manipulator mittels technischer Maßnahmen ausgeschlossen ist. In solchen freien Zonen besteht grundsätzlich keine Gefährdung des Menschen aus der Manipulatortätigkeit.
Eine reine „MRK-Zone" kann eine solche Zone sein, die einen gemeinsamen Arbeitsraum von Manipulator und Mensch definiert. In einer solchen MRK-Zone sieht die
bestimmungsgemäße Tätigkeit des Manipulators auch einen Kontaktmöglichkeit mit dem Menschen vor. Die für solche MRK-Zonen zulässige Beeinträchtigung kann bspw. geringe Schmerzen jedoch ohne Verletzungen umfassen, jedoch alle stärkeren Beeinträchtigungen ausschließen. In Figur 4 sind die Zonen (MRK1 und MRK2) reine MRK-Zonen.
Eine sog. „Prozess-Zone" kann ein Arbeitsraum sein, dessen Erreichbarkeit vornehmlich für den Manipulator vorgesehen ist, wobei jedoch die Erreichbarkeit für den Menschen grundsätzlich möglich ist. In einer Prozess-Zone sind bestimmungsgemäß kein Zusammenwirken und kein
Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Eine zulässige Beeinträchtigung in der Prozess-Zone kann
Verletzungen des Menschen ausschließen, jedoch alle geringeren Beeinträchtigungen zulassen. In Figur 4 ist die Zone (MRK3) eine solche Prozesszone.
Eine sog. „Risiko-Zone" kann ein Arbeitsraum sein, der allein dem Manipulator vorbehalten ist. In einer Risiko- Zone sind ebenfalls kein Zusammenwirken und kein Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Zusätzliche Absicherungen sollten den Zugriff eines Menschen in eine Risiko-Zone ausschließen. Eine Risiko-Zone kann von der MRK-Planung und/oder der MRK-Überwachung ausgeschlossen sein. Die Prozessgeschwindigkeiten können so gewählt sein, dass im Fall von Kollisionen auch mit Verletzungen zu rechnen wäre. In Figur 4 entspricht die Zone (MRK4) einer Risiko-Zone.
In Figur 5 ist ein Planungssystem (44) beispielhaft dargestellt. Es weist eine graphische Eingabemaske (42,
GUI) auf, die unterschiedliche Zustände annehmen kann. In der linken Ansicht der Eingabemaske (42) ist beispielhaft eine Draufsicht auf das Layout (32) dargestellt. In der rechten Ansicht ist ein Geschwindigkeitsprofil in Form einer Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik (v-t-Dia.) gezeigt. In einer solchen Charakteristik werden über den Zeitablauf einer geplanten Manipulatortätigkeit die momentanen geplanten Geschwindigkeiten (v_pl) mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul)
verglichen. Solche Abschnitte des Bewegungsplans, in denen die geplante Geschwindigkeit (v_pl) die zulässige Geschwindigkeit (v_zul) überschreitet, können in dem Verfahren automatisch ermittelt und angezeigt werden, sodass ein Planer auf eventuell notwendige Änderungen hingewiesen wird oder eine Freigabe für eine
teilautomatisierte Optimierung erteilen kann.
Das Planungssystem (44) umfasst ferner eine Recheneinheit (40), eine geordnete Datenstruktur (34), insbesondere in Form einer Datenbank oder einer Datei, sowie ein
automatisiertes Bewertungsmodul (38). Die Recheneinheit (40) kann ein üblicher Computer sein bzw. eine darauf ausgeführte Software. Die geordnete Datenstruktur (34) kann auf einem beliebigen Datenträger abgelegt sein. Im rechten unteren Bereich der Figur 5 ist ein Auszug aus einem Bewertungsmodul (38) beispielhaft dargestellt. Der Auszug enthält für verschiedene Manipulatorbestückungen (Tools) jeweils vordefinierte Angaben über eine Teilmasse (ml,m2), einen Radius der relevanten Grenzgeometrie sowie eine Matrix von zulässigen Geschwindigkeiten, hier für die Kollisionsarten Quetschen (Vmax_Q) und Stoßen
(Vmax_Stoß). Die Geschwindigkeiten können bereits anhand der vorgenannten Angaben vorausgewählt sein. Die
zulässigen Geschwindigkeiten sind dann in Abhängigkeit von möglicherweise betroffenen Körperteilen schnell abrufbar . Die dargestellten Geschwindigkeitswerte VI bis V6 betreffen Basiswerte für den Fall, dass keine
bestimmte Körperregion betroffen ist. V7 bis V12
betreffen Kollisionen mit dem Rumpf. V13 bis V18
betreffen den Kopf, V19 bis V24 den Arm, V25 bis V30 die Hand und V31 bis V36 einen Finger. Aus einer solchen Matrix kann die für den jeweils betrachteten Bezugspunkt (POI,TCP) und die vorliegende Zone (MRK1 - MRK4) jeweils die zulässige Prozessgeschwindigkeit ermittelt werden. Der gezeigte Auszug ist für die Überwachung einer bereits geplanten Manipulatortätigkeit optimiert.
Das Planungssystem (44) kann eine anthropologische
Datenbasis (46), beispielsweise in der Form einer
Datenbank, aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein. Diese kann obere und untere Grenzwerte für
Körpermaße beinhalten sowie für Mindest- und
Maximalabstände zum Quetschen von Körperteilen. Figur 7 zeigt beispielhaft einen Auszug aus einer
anthropologischen Datenbasis, in der für unterschiedliche Körperteile und in Abhängigkeit eines freien Abstandes zwischen zwei kollisionsgefährdenden Konturen die
möglichen Beeinträchtigungsformen Quetschen und Stoßen unterschieden sind. Ein oder mehrere Manipulatoren (10) mit einer oder mehreren Manipulatorsteuerungen (48) können Bestandteil des Planungssystems (44) bzw. eines Überwachungssystems sein. Alternativ kann das Planungssystem (44) bzw. ein Überwachungssystem zu solchen Manipulatoren (10) oder Manipulatorsteuerungen (48) verbunden sein. Ein
festgelegter Bewegungsplan mit einem auf Basis der ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul)
festgelegten Geschwindigkeitsprofil kann in die Steuerung (48) eines Manipulators (10) übertragen werden. Die
Übertragung kann auf beliebige Weise geschehen,
beispielsweise über eine Online-Anbindung oder über einen transportablen Datenträger.
Durch das Planungsverfahren kann eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eines Bewegungsplans ausgeführt werden. Die Optimierung kann dabei für den Bewegungsplan eines Hauptbezugspunkts (Kl) oder für mehrere Bezugspunkte (K1,K2,K3) des Manipulators (10) und/oder einer Manipulatorbestückung (36) ausgeführt werden.
Besonders bevorzugt werden zulässige Geschwindigkeiten für den Bewegungsplan eines Bezugspunkts (Kl) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (Gl) ermittelt. Auf Basis dieser Daten kann dann eine Optimierung des Bewegungsplans, insbesondere der zugewiesenen
Geschwindigkeiten sowie ggf. der Trajektorie und/oder der vorgesehenen Orientierungen ausgeführt werden.
Eine Optimierung kann dahingehend erfolgen, dass eine Veränderung des Geschwindigkeitsprofils für bestimmte Abschnitte oder den gesamten Bewegungsplan vorgeschlagen oder direkt zugewiesen werden. Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eignet sich insbesondere für reine Verfahrwege des Manipulators, d.h. solche
Abschnitte des Bewegungsplans, in denen kein Kontakt des Manipulators (10) oder der Manipulatorbestückung (36) mit anderen Objekten oder einem Menschen (28) für eine konkrete Kollaborationstätigkeit vorgesehen ist. Solche Verfahrwege können innerhalb eines Bewegungsplans manuell gekennzeichnet oder automatisch erfasst werden. Innerhalb der Verfahrwege können beispielsweise
Abschnitte mit einem erhöhten Gefährdungspotential, d.h. mit einer Verletzungen begünstigenden Bewegung
identifiziert werden. Insbesondere können solche
Abschnitte erfasst und gekennzeichnet werden, in denen eine geplante Orientierung (H) eines Bezugspunkts (Kl) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (Gl) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert zur momentanen Bewegungsrichtung (I) dieses Bezugspunktes (Kl) steht. Eine solche Situation ist in Figur 2
dargestellt. Dort ist beispielhaft eine
Manipulatorbestückung (36) in Form Werkzeugs dargestellt, das auf der einen Seite (Bezugspunkt Kl) eine spitze Grenzgeometrie (Gl) und auf der Gegenseite (Bezugspunkt K2 ) eine stumpfe Grenzgeometrie (G2) aufweist. Der
Manipulatorbestückung (36) sowie dem Manipulator (10) können unterschiedliche Teilmassen (ml, m2 ) zugeordnet sein. Der Bezugspunkt für die gemäß dem Bewegungsplan vorgesehene Bewegungsbahn (Path) ist das spitze Ende (Kl) . Die in Figur 2 dargestellte Situation entspricht einem Teil des Bewegungsplans im ersten Abschnitt (Secl) gemäß Figur 4.
Das spitze oder kantige Ende (Kl) der
Manipulatorbestückung (36) verursacht bei gleicher
Geschwindigkeit (und gleicher im Zusammenstoß wirksamer Masse) ein höheres Verletzungsrisiko als die
gegenüberliegende stumpfe Seite (K2). Dementsprechend werden für den Bewegungsplan in der in Figur 2
dargestellten Form vergleichsweise geringe zulässige Geschwindigkeiten (v_zul) ermittelt.
Die Manipulatorbestückung könnte bei derselben zulässigen Beeinträchtigung mit höherer Geschwindigkeit bewegt werden, wenn das stumpfe Ende (K2) vorauseilen würde. Dieser Umstand kann Grundlage für eine Optimierung sein. D.h. allgemein ist eine Optimierung erreichbar, wenn ein Bewegungsplan so abgeändert wird, dass eine weniger gefährliche Grenzgeometrie in der Bewegung vorauseilt. Denn dann sind höhere zulässige Geschwindigkeiten zu erwarten . Eine Optimierung des Bewegungsplans kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in den wie oben dargestellt gekennzeichneten Abschnitten der Verfahrwege die geplante Orientierung (H) und/oder die geplante momentane
Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (Kl) so angepasst werden, dass sich die Orientierung (H) in Richtung zu einem stumpfen Winkel, insbesondere einer gegensinnigen Orientierung gegenüber der Bewegungsrichtung (I)
verändert. Hierdurch wird eine potenziell gefährliche Grenzgeometrie (Gl) von der vorauseilenden Seite der Bewegung weggedreht. Eine entsprechend geänderte
Situation ist zum Vergleich in Figur 3 dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Optimierung dadurch erfolgen, dass an einer Manipulatorbestückung (36) ein Bezugspunkt (K2) mit einer erwartungsgemäß weniger gefährlichen Grenzgeometrie (G2) ermittelt wird. Der Bewegungsplan für die Manipulatorbestückung (36) kann dann innerhalb eines Verfahrweges so angepasst werden, dass die Orientierung (H) dieser ungefährlichen
Grenzgeometrie (G2) des Bezugspunktes (K2) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert, zur momentanen Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (K2) steht. D.h. eine erwartungsgemäß ungefährliche
Grenzgeometrie (G2) wird zur vorauseilenden Seite der Bewegung verdreht. Daneben können beliebige andere
Optimierungsverfahren eingesetzt werden. Die vorgenannten Optimierungen können auch in einem Überwachungsverfahren genutzt werden, bspw. während er Rückführung eines Bezugspunktes zu einer vorgesehen Position. Mit anderen Worten kann, wenn die Bewegung eines Manipulators bzw. eines relevanten Bezugspunkts (POI) von dem vorgesehenen Bewegungsplan abweicht und eine Rückführung zu einer nach dem Bewegungsplan
vorgesehenen Position erfolgen soll, der Bewegungsablauf während der Rückführung gemäß den vorgenannten Schritten optimiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Rückführung mit einem möglichst geringen
Verletzungsrisiko erfolgt und gleichzeitig eine hohe Effizienz der Bewegung erreicht wird.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass auf Basis eines festgelegten Bewegungsplans und der jeweils geplanten Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) eine Vorgangsdauer (T) für die durchzuführende Tätigkeit des Manipulators (10) berechnet wird (vgl. Geschwindigkeitsprofil gem.
Figur 5). Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung des Bewegungsplans kann bevorzugt dann ausgeführt werden, wenn die berechnete Vorgangsdauer (T) eine gewünschte Taktzeit überschreitet. Die gewünschte Taktzeit kann beispielsweise als Sollvorgabe vorliegen und zu Beginn einer Tätigkeitsplanung erfasst werden. Entsprechend kann die Durchführung einer Optimierung ebenfalls automatisch gestaltet werden.
Ein Überwachungsverfahren kann grundsätzliche alle
Merkmale des hier offenbarten Planungsverfahrens
aufweisen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass während der Manipulatortätigkeit ständig oder zwischenzeitlich eine Überwachungsanzeige ausgegeben wird. Eine solche Anzeige kann einen Werker in der
Wahrnehmung des momentanen Verletzungsrisikos
unterstützen sowie auf eventuelle Abweichungen gegenüber dem geplanten Tätigkeitsablauf aufmerksam machen. In dem Überwachungsverfahren kann bevorzugt eine ständige
Überwachung von mehreren relevanten Bezugspunkten erfolgen. Die Prozessgeschwindigkeiten dieser
Bezugspunkte können in einem gemeinsamen Diagramm
dargestellt werden. Hierfür eignet sich beispielsweise eine Oszilloskop-Diagramm gemäß Figur 7. Hier sind beispielhaft die Prozessgeschwindigkeiten (v_TCP) eines Tool Center Points sowie (v_POI) eines weiteren
Bezugspunkts dargestellt. Die dargestellten
Geschwindigkeiten können mit einer Angabe über die momentan betroffene Arbeitszone (Zonel - Zone3 / MRK1- MRK4) hinterlegt sein. Derartige Diagramme können auch zu Nachweisgründen abgespeichert werden, um die Einhaltung der Betriebssicherheit zu belegen. Abwandlungen und Änderungen der Erfindung sind in vielerlei Hinsicht möglich. Insbesondere können die zu den Ausführungsbeispielen gezeigten oder beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, untereinander vertauscht, ergänzt oder weggelassen werden.
Anstelle des in Figur 1 gezeigten Leichtbauroboters kann ein anderer Manipulator (10) verwendet werden,
beispielsweise ein Industrieroboter. Die Zahl der Achsen und Glieder kann ebenfalls unterschiedliche sein. Der Manipulator (10) kann eine oder mehrere zusätzliche Verfahrachsen haben. Er kann alternativ oder zusätzlich auf einem frei beweglichen Korpus angeordnet sein.
Entsprechend kann ein Kollaborationsbereich (50) während der Dauer einer Kollaborationstätigkeit veränderlich sein und die Kennzeichnung von MRK-Zonen sowie eine
Risikobewertung können entsprechend zeitvariabel sein.
Durch das Verfahren können Prüfungen eines Bewegungsplans und eines zugehörigen Geschwindigkeitsprofils für
bestimmte Zustände mit unterschiedlich festgelegten zulässigen Beeinträchtigungen erfolgen. Ein erster
Zustand kann eine bestimmungsgemäße Tätigkeit betreffen, in der Mensch (28) und Manipulator (10) die vorgesehenen Bewegungen ausführen und eine Kontaktierung zwischen Mensch (28) und Manipulator (10) nur zu den erwünschten Zeitpunkten und an den geplanten Stellen auftritt. Für einen solchen Zustand können nur sehr geringe
Beeinträchtigungen des Menschen als zulässig erfasst werden. Ein zweiter Zustand kann leichte Änderungen gegenüber der bestimmungsgemäßen Tätigkeit abdecken, die durch versehentliche Verhaltensänderungen des Menschen (28) hervorgerufen werden. In einem solchen Zustand können etwas stärkere Beeinträchtigungen zulässig sein, bei denen jedoch keine gravierenden Verletzungen
entstehen . BEZUGSZEICHENLISTE
10 Manipulator / Roboter / Leichtbauroboter (LBR) 12 Flansch
14 Flanschachse
16 Manipulatorhand / erstes Glied
17 Zweites Glied
18 Drittes Glied
20 Viertes Glied
22 Fünftes Glied
24 Sechstes Glied
26 Fuß / Basis / Siebtes Glied
28 Mensch / Werker
30 Computersystem
32 Layout eines Arbeitsbereichs
34 Geordnete Datenstruktur
36 Manipulatorbestückung / Werkzeug u/o Werkstück
38 Automat. Bewertungsmodul / Bewertungsdatenbank
40 Recheneinheit / Computer
42 Eingabemaske (GUI)
44 Planungssystem
46 Anthropologiedatenbank
48 Manipulatorsteuerung
50 Kollaborationsbereich
I Erste Manipulator-Bewegungsachse
11 Zweite Bewegungsachse
III Dritte Bewegungsachse
IV Vierte Bewegungsachse
V Fünfte Bewegungsachse VI Sechste Bewegungsachse
VII Siebte Bewegungsachse
Gl Erste Grenzgeometrie (Kante)
G2 Zweite Grenzgeometrie (Rundung)
H Orientierung eines Bezugspunktes / einer
Grenzgeometrie
I Momentane Bewegungsrichtung eines
Bezugspunktes / einer Grenzgeometrie
Kl Erster Bezugspunkt / möglicher Kollisionspunkt
K2 Zweiter Bezugspunkt
K3 Dritter Bezugspunkt
K4 Potenzielle Quetschkante
MRK1 Kollaborationszone 1 / MRK-Zone
MRK2 Kollaborationszone 2 / MRK-Zone
MRK3 Kollaborationszone 3 / Prozess-Zone
MRK4 Kollaborationszone 4 / Risikozone
Rl Erste Risikoklasse
R2 Zweite Risikoklasse
R3 Dritte Risikoklasse
R4 Vierte Risikoklasse
Secl Abschnitt in Bewegungsplan
Sec2 Abschnitt in Bewegungsplan
Sec_Alert Abschnitt der Bewegungsbahn mit Überschreitung von v_zul
Path Bewegungsplan
Χ,Υ,Ζ Raumkoordinaten / Positionskoordinaten
k,l,m Raumwinkel / Raumorientierungskoordinaten v_pl Vordefinierte Prozessgeschwindigkeit
v_zul Ermittelte zulässige Prozessgeschwindigkeit v-t-Dia . Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik
T Vorgangsdauer v_TCP Tatsächliche Geschw. Tool Center Point v POI Tatsächliche Geschw. eines POI

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Planungsverfahren zur Einrichtung mindestens eines Manipulators (10) für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:
Erfassen eines Layouts (32) eines
Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator (10) in Mensch-Roboter- Kollaboration betrieben werden soll;
Kennzeichnung von einem oder mehreren
Teilbereichen des Layouts (32) als Mensch- Roboter-Kollaborations-Zonen (MRK1, MRK2, MRK3, MRK4) ;
Erfassen der vorgesehenen Manipulatorbestückung (36) für die durchzuführende Tätigkeit,
insbesondere Erfassen der Grenzgeometrien
(G1,G2) und Massen (ml,m2) einer am Manipulator (10) angeordneten Bestückung (36);
Erfassen eines zumindest nach der Lage (Χ,Υ,Ζ) bestimmten Bewegungsplans (Tra ektorie, Path) für eine vom Manipulator (10) durchzuführende Tätigkeit innerhalb des Layouts (32); - Ermittlung von zulässigen
Prozessgeschwindigkeiten (v_zul) für Abschnitte (Secl,Sec2) des Bewegungsplans (Path) auf Basis der erfassten Daten (32, Path, 36, G1,G2, ml,m2, MRK1 , MRK2 , MRK3 ) mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls (38).
Planungsverfahren nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet , dass in dem erfassten
Bewegungsplan (Path) vordefinierte
Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) enthalten sind und die ermittelten zulässigen Prozessgeschwindigkeiten (v_zul) in einen Vergleich zu den vordefinierten Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) gesetzt werden.
Planungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass Abschnitte (Sec_Alert) des Bewegungsplans (Path) ermittelt werden, in denen eine vordefinierte Prozessgeschwindigkeit (v_pl) höher ist als eine ermittelte zulässige
Prozessgeschwindigkeit (v_zul), und die ermittelten Abschnitte (Sec_Alert) angezeigt werden.
4.) Planungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass ermittelte zulässige Prozessgeschwindigkeiten (v_zul) dem Bewegungsplan (Path) zugewiesen werden. 5.) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Verfahren automatisiert oder teilautomatisiert ausgeführt wird.
6. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der Manipulator (10) eine Mehrzahl von, insbesondere sechs oder sieben separat steuerbare Bewegungsachsen (I - VII) aufweist.
7. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für eine potenzielle Quetschung relevante Kanten der Objekte im Layout und/oder den MRK-Zonen
gekennzeichnet werden.
(S. 19, Z. 14)
8. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Manipulatorbestückung (36) ein Werkzeug und/oder ein vom Manipulator (10) bewegtes Werkstück umfasst.
9. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass den MRK-Zonen (MRK1 , MRK2 , MRK3 , MRK4 ) potenziell von einer Kollision betroffene Körperteile oder Körperzonen zugewiesen werden.
10. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Zuweisung von potenziell von einer Kollision
betroffenen Körperteilen oder Körperzonen zu MRK- Zonen auf Basis einer anthropologischen Datenbasis erfolgt . Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die MRK-Zonen (MRK1 , MRK2 , MRK3 ) mit Risikoklassen
(Rl , R2 , R3 , R4 ) bewertet werden. 12.) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine oder mehrere MRK-Zonen (MRK1 , MRK2 , MRK3 , MRK4 ) in Abhängigkeit vom Layout (32) und einer
Anthropologiedatenbank automatisch mit Risikoklassen (Rl, R2, R3, R4) bewertet werden.
13.) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Ermittlung einer zulässigen Prozessgeschwindigkeit (v_zul) für mehrere Bezugspunkte (K1,K2,K3) des Manipulators (10) und/oder einer
Manipulatorbestückung (36) ausgeführt wird,
insbesondere für solche Bezugspunkte (Kl), die eine potenziell gefährliche Grenzgeometrie (Gl)
aufweisen . 14.) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung des Bewegungsplans (Path) ausgeführt wird.
15. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in einem Bewegungsplan (Path) Verfahrwege erfasst werden, in denen kein Kontakt des Manipulators (10) oder der Manipulatorbestückung (36) mit anderen
Objekten oder einem Menschen (28) vorgesehen ist.
16. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass innerhalb der Verfahrwege Abschnitte erfasst und gekennzeichnet werden, in denen eine geplante
Orientierung (H) eines Bezugspunkts (Kl) mit einer potenziell gefährlichen Grenzgeometrie (Gl) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert zur momentanen Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (Kl) steht.
17. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass in den gekennzeichneten Anteilen der Verfahrwege die geplante Orientierung (H) und/oder die geplante momentane Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes
(Kl) so angepasst werden, dass sich die Orientierung (H) in Richtung zu einem stumpfen Winkel,
insbesondere in Richtung zu einer gegensinnigen Orientierung gegenüber der Bewegungsrichtung (I) verändert .
18. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass an einer Manipulatorbestückung (36) ein Bezugspunkt (K2) mit einer erwartungsgemäß ungefährlichen
Geometrie (G2) ermittelt und der Bewegungsplan
(Path) für die Manipulatorbestückung innerhalb eines Verfahrweges so angepasst wird, dass die
Orientierung (H) der Grenzgeometrie (G2) dieses Bezugspunktes (K2) in einem spitzen Winkel,
insbesondere gleichorientiert zur momentanen
Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (K2) steht.
19. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass für jeden Abschnitt (Secl,Sec2) des Bewegungsplans
(Path) ein automatisierter Vergleich zwischen einer für den jeweiligen Abschnitt geplanten
Prozessgeschwindigkeit (v_pl) und einer ermittelten zulässigen Prozessgeschwindigkeit (v_zul)
durchgeführt und das Vergleichsergebnis als
Planungsnachweis ausgegeben wird.
20.) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass auf Basis des Bewegungsplans (Path) und der geplanten Prozessgeschwindigkeiten (v) eine Vorgangsdauer (T) für eine durchzuführende Mensch-Roboter-
Kollaborationstätigkeit berechnet wird.
21. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung des Bewegungsplans (Path) ausgeführt wird, wenn eine berechnete Vorgangsdauer (T) eine gewünschte
Taktzeit überschreitet.
22. ) Planungsverfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass automatisiert oder teilautomatisiert
Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristiken (v-t-Dia) oder Geschwindigkeits-Ort-Charakteristiken
ausgegeben werden, in denen für jeden Abschnitt gekennzeichnet ist, ob die geplante
Prozessgeschwindigkeit (v_pl) unterhalb der
ermittelten zugelassenen Prozessgeschwindigkeit
(v_zul) liegt.
23. ) Planungssystem zur Einrichtung eines Manipulators
(10) für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28) in einer gemeinsamen Arbeitszone, wobei das Planungssystem (44) eine Recheneinheit (40), eine geordnete Datenstruktur (34), eine Eingabemaske (42) und ein automatisiertes Bewertungsmodul (38)
umfasst, dadurch gekennzeichnet , dass das Planungssystem (44) dazu ausgebildet ist, ein
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche aus zuführen .
24.) Planungssystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , dass das
Planungssystem (44) mit mindestens einem Manipulator (10) verbunden ist. 25.) Planungssystem nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Planungssystem (44) dazu ausgebildet ist, einen auf Basis der ermittelten zulässigen
Prozessgeschwindigkeiten (v_zul) festgelegten
Bewegungsplan (Path) in die Steuerung (48) eines
Manipulators (10) zu übertragen.
26.) Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls
(38) zur Einrichtung eines Manipulators (10) für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28), wobei in dem Bewertungsmodul (38) empirisch ermittelte
Daten über Beeinträchtigungen eines Menschen
hinterlegt sind, die bei einer Kollision eines Festkörpers mit einer bestimmten Grenzgeometrie mit einem bestimmten Körperteil des Menschen auftreten, dadurch gekennzeichnet , dass dem
Bewertungsmodul (38) Eingabedaten zugeführt werden, die eine kategorisierte Kollisionssituation
auswählen und von dem Bewertungsmodul (38) eine Geschwindigkeit ausgegeben wird, die als zulässige Prozessgeschwindigkeit für einen Bezugspunkt des
Manipulators übernommen wird.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch
gekennzeichnet , dass die Eingabedat
enthalten : eine im Kollisionspunkt wirksame Masse, eine oder mehrere im Falle einer Kollision kontaktgefährdete menschliche Körperzonen oder Körperbereiche und/oder eine Risikoklasse, - eine Grenzgeometrie (Kollisionsgeometrie /
Primitive) im Bezugspunkt.
28. ) Verwendung nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Eingabedaten automatisiert aus einem erfassten
Layout (32) mit darin gekennzeichneten Mensch-
Roboter-Kollaborationszonen (MRK1 , MRK2 , MRK3 , MRK4 ) und einem Bewegungsplan (Path) für einen Bezugspunkt (K1,K2,K3) am Manipulator zusammengestellt werden.
29. ) Verwendung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die
Eingabedaten zusätzlich einen Abstand des
Bezugspunktes zu einer für eine eventuelle
Quetschung relevanten Kante (K4) im Layout (32) erfasst .
MRK-Bearbeitungsstation mit einem vorbestimmten
Layout (32) und mindestens einem Manipulator (10), der im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28) betrieben wird, wobei der Manipulator (10) dazu ausgebildet einem Bewegungsplan (Path) mit einem zugewiesenen Geschwindigkeitsprofil zu folgen, dadurch gekennzeichnet , dass die in dem Geschwindigkeitsprofil enthaltenen
Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) durch ein
Planungsverfahren nach einem Ansprüche 1 bis 22 vorgegeben sind.
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