Mensch Roboter Roboter Kooperation. Kooperation Prof. Dr. Ing. Hans Wernher van de Venn. Institut für Mechatronische Systeme der ZHAW

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1 Mensch Roboter Kooperation Intelligent, sicher und wirtschaftlich! Leiter Institut für Mechatronische Systeme IMS Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ITS Techno Apéro Robotik, Schaffhausen, 7. März 2011 Übersicht Institut für Mechatronische Systeme der ZHAW Wandel in der Automatisierungstechnik Entwicklungstendenz in der Robotik Mensch Roboter Roboter Kooperation Neue Lösungen Sicherheit Wirtschaftlichkeit Beispiele Zusammenfassung und Ausblick Folie: 2 1

2 Institut für Mechatronische Systeme Roboter und roboterbasierte Systeme Automation und Regelungstechnik Vision & Navigation Medizinische Systeme und Instrumente Folie: 3 Wandel in der Automatisierungstechnik Innovation Wachsender Markt Massenfertigung Standardprodukte Hohe Stückzahlen Hohe Losgrössen Konventionelle Automatisierungstechnik Innovationstreiber Markt / Wettbewerb Mikroelektronik Informationstechnik Kommunikationstechnik Rasch wechselnder Markt Häufige Produktwechsel Hohe Variantenzahl Sinkende Stückzahlen Sinkende Losgrössen Zukünftige Automatisierungstechnik Folie: 4 2

3 Was bedeutet dies für die Robotik? Schweissroboter Bild: Kuka Assistenzroboter Bild: ims/zhaw Karosseriemontage Bild: ABB Montagehilfe Bild: SME Robot Heute: Grossserien (mehrere 1000 Stck) Hoch automatisierte Anlagen Roboter getrennt vom Menschen Morgen: Kleinserien Angepasste Automatisierungstechnik Kooperation Mensch und Roboter Folie: 5 Entwicklungstendenz in der Robotik Zukünftige Entwicklung: Adaptive, aufgabenangepasste Automatisierung Variable, fliessende Aufteilung zwischen automatischen und manuellen Tätigkeiten Keine Arbeitsunterbrechungen durch Programmieren oder Umkonfigurieren Roboter und Mensch in einem Arbeitsraum Nutzungder Stärken des Menschen (kognitive Fähigkeiten, flexible Reaktionsfähigkeit) bei gleichzeitiger Nutzung der Stärken des Roboters (Kraft, Ausdauer, Präzision) Roboter als Assistent des Menschen > > Assistenzrobotik Wirtschaftlichkeit durch Entwicklung angepasster Tools und Verfahren Folie: 6 3

4 Realität konventioneller Roboterlösungen Problematik: Heutige Roboterlösungen sind für die Grossserie ausgelegt! Quelle: ABB Quelle: ABB Quelle: KleRo GmbH Quelle: Reis Robotics Quelle: Reis Robotics Quelle: ABB Planung Aufbau Einrichten Program mierung Inbetrieb nahme Produktion Zeit Folie: 7 Anforderungen der Anwender Unterschiedliche Produkte Hohe Variantenzahl Unterschiedliche Prozesse Produkt Bedienung Schnelle und einfache Bedienung möglichst ohne Programmierung Bild: ABB Wechselnde, unstrukturierte Umgebungen Umfeld Einsatzbereich Hohe Flexibilität und Anpassungsfähigkeit Folie: 8 4

5 Entwicklungsschwerpunkte, neue Lösungen Konsequenz: Wir benötigen anwendungsorientierte F&E in folgenden Entwicklungsbereichen: Einrichten Betrieb Umfeld Sicherheit Automatisiertes Einrichten Intuitives Programmieren Bahnplanung und Kollisions vermeidung Aktive Sicherheits massnahmen Automatisiertes Konfigurieren Überwachung des Arbeitsraumes Direkte Mensch Roboter Interaktion Passive Sicherheits massnahmen Folie: 9 Einrichten und Konfigurieren Einrichten und Konfigurieren Technisch anspruchsvoll Unterschiedlichste Schnittstellen Stark variabel (Arbeitsumgebung) Werkstück / Werkzeugabhängig Systemabhängig Zeitintensiv Teuer Steuerung Programm Werkstück Roboter Umgebung Sensorik In der bisherigen Form nicht geeignet für Kleinserienproduktion Werkzeug Zusatz achsen Bedienung Folie: 10 5

6 Automatisiertes Einrichten Automatisiertes Einrichten durch Verwendung mechatronischer Komponenten Bauteil Zeichnung Vorrichtung Beispiel : Automatisiertes Vermessen von Werkstücken ims / ZHAW Folie: 11 Betrieb: Intuitive Programmierung Beispiel: Remote Laser Laser Schweissen Quelle: iwb, TU München Quelle: AWL Techniek, NL Folie: 12 6

7 Betrieb: Intuitive Bedienung Kinect Microsoft Kinect Sensor Bediener Regelkreis über optisches Feedback PC Direkte Mensch Roboter Interaktion durch Vormachen Roboter steuerung TCP Bewegung Roboter Folie: 13 Direkte Mensch Roboter Kooperation Beispiel: Assistenzroboter Betrieb Quelle: Fraunhofer IPA ims/zhaw Quelle: Uni Bayreuth Folie: 14 7

8 Sicherheit Herausforderungen Quelle: Kuka Quelle: TU Dortmund Primäre Herausforderung: Gewährleistung der Sicherheit von Menschen beim Betrieb mit Robotern im gleichen Arbeitsraum Bestimmung der Risiken und daraus abgeleitete Massnahmen Weitere Herausforderungen: Technische bzw. technologische Anforderungen Medizinisch/ biomechanische Anforderungen Ergonomische Anforderungen Arbeitsorganisatorische Anforderungen Folie: 15 Sicherheit Normen EN ISO (nur Roboter) Kraftbegrenzung auf 150 N ohne Angabe der Flächen Oder Leistungsbegrenzung auf 80 W ohne Berücksichtigung der Kraft Geschwindigkeit <= 250 mm/s EN ISO Roboter, Umgebung und Mensch Kollaborierende Roboter, ohne Kraftbegrenzung Risikoanalyse mit Differenzierung nach gefährdetem Körperteil, z.b.: Kopf, Rumpf, obere Extremitäten, untere Extremitäten Folie: 16 8

9 Sicherheit Kollisionsprozess er ung tut für Arbeitsschutz de tzlichen Unfallversicheru Quelle: IFA, Instit Deutschen geset Charakterisierende Verletzungskriterien: Klemm /Quetschkraft Stosskraft Druck / Flächenpressung Folie: 17 Sicherheit: Herausforderungen in der Anwendung Herausforderungen beim Handling: Bildquelle: IAT, Uni Bremen Deutschland Sicherheit und Ergonomie Sicherheit und Produktivität Sicherheit und Geschwindigkeit Sicherheit und Wirtschaftlichkeit Technische Herausforderungen: Singuläre Punkte Not Aus Situation Sichere Komponenten (Werkzeuge / Greifer) Bis der Löffel Kartoffelbrei schliesslich kurz vor dem Mund des Mannes im Rollstuhl ankommt, dürfte der Brei allerdings schon kalt sein. (taz, ) Folie: 18 9

10 Sicherheit: Lösungsmöglichkeiten 1 Sicherheitsmassnahmen am Roboter Passiv: stossabsorbierende Hülle Aktiv: taktile Sensoren Aktiv: kapazitive Näherungssensoren Quelle: MRK GmbH, Deutschland Folie: 19 Sicherheit: Lösungsmöglichkeiten 2 Virtueller Arbeitsraum Definition von virtuellen Wänden und Räumen ims/zhaw Folie: 20 10

11 Wirtschaftlichkeit Beispiel Produktionsprozess manuell, vollautomatisiert und mit angepasster Automatisierung in enger Mensch Roboter Roboter Kooperation Fixe Kosten, auftragsabhänig Variable Kosten, auftragsunabhängig Vollautomatisierung CHF Maschinenkosten Bediener 0.36 CHF/Stck CHF Stellfläche 0.4 CHF/Stck. Mensch Roboter Kooperation Systemintegration Einrichtung Konfiguration Programmierung Inbetriebnahme Manuell Arbeiter 0.65 CHF/Stck. Folie: 21 Wirtschaftlichkeit: Stückzahlabhängigkeit on kosten, Vollautomati Fix Fixk kosten MRK Stückko osten [k] Roboterbasierte Vollautomation Mensch Roboter Kooperation ims/zhaw k ( K f Kv x) / x manuell K v K v Grenzstückzahl Grenzstückzahl Losgrösse [log x] Folie: 22 11

12 Beispiele Verpackungstechnik in der Pharmaindustrie Assistenzroboter in der Schweisserei Flexible Flugzeugmontage Folie: 23 Verpackungstechnik in der Pharmaindustrie Flexibler Formatwechsel Handverpackung zu langsam, Stückzahlen für eine vollautomatische Verpackungslinie zu gering. Automatisiertes Einrichten: Benutzer ohne Vorkenntnisse kann eine Verpackungsanlage auch für neue Produkte schnell und flexibel ohne Programmieren in Betrieb nehmen. Quelle: Robotronic AG Winterthur Folie: 24 12

13 Assistenzroboter in der Schweisserei ims/zhaw ims/zhaw Konfiguration Betrieb Prof. Dr. Ing. Hans Wernher van de Venn Folie: 25 Flexible Flugzeugmontage Prof. Dr. Ing. Hans Wernher van de Venn Folie: 26 13

14 Flexible Flugzeugmontage Quelle: Pilatus Aicraft Ltd. Ausgangssituation Montage von Flugzeugskomponenten Kleinserien, maximal ca. 100 Flugzeuge / Jahr Brand: made in Switzerland Quelle: Pilatus Aicraft Ltd. Produkt Typische Situation: Stückzahl zu gering für eine Vollautomation, manuelle Produktion zu teuer in CH Lösungsansatz: Flexible Mensch Roboter Kooperation mit einem gleichzeitig neuen Konzept zur lehrenlosen Montage. Folie: 27 Flexible Flugzeugmontage Dachschale Heck Seitenschale rechts Bodenschale Cockpit Flügel l Verbindungsschalen (nicht dargestellt) Seitenschale links (2 teilig) Bildquelle: Pilatus Aicraft Ltd. Folie: 28 14

15 Flexible Flugzeugmontage Vor positionieren ims/zhaw Messen ims/zhaw Fein positionieren ims/zhaw Halten und Fügen ims/zhaw Folie: 29 Flexible Flugzeugmontage ims/zhaw Szenario für die künftige Mensch Roboter Roboter Kooperation im Flug zeugbau Automatisierte Komponentenmontage Roboterunterstütztes Nieten an schwer zugänglichen Stellen Automatisiertes Nieten an grossflächigen Teilen mit Vision Unterstützung Mensch und Roboter in einem Arbeitsraum Folie: 30 15

16 Zusammenfassung und Ausblick Heute: Grossserienproduktion Möglichst Vollautomation Teure Roboterlösungen Trend zur Kleinserie / Customizing Morgen: Kleinserienproduktion Gleitende Mensch Roboter Kooperation Herausforderungen für af&e: Einrichten, Betrieb, Umfeld und Sicherheit Umsetzungskriterium: Wirtschaftlichkeit Folie: 31 Fragen? ims Institut für Mechatronische Systeme We Apply Science Vielen Dank fürihre Institut of Mechatronic Systems ZHAW Zurich University of Aufmerksamkeit! Applied Sciences Technikumstrasse 5 Postfach 805 CH 8401 Winterthur wernher.vandevenn@zhaw.ch Phone +41 (0) Fax +41 (0) Website: IMS ist Mitglied bei: Folie: 32 16