Sichere Roboter-Mensch Zusammenarbeit?

Transkript

1 Sichere Roboter-Mensch Zusammenarbeit? 11. STEIRISCHES FORUM FÜR PRÄVENTIVDIENSTE Univ.-Doz. Dr Michael HOFBAUR

2 2 Klassische Industrierobotik Roboter wie wir sie bisher kannten Verbannt in eigene Schutz- Räume präzise schnell kraftvoll 24 / 356 zuverlässig und ausdauernd blind dumm gefühlslos Bildquelle: BMW

3 3 Moderne Industrierobotik Robotik wie sie uns aktuell als die Zukunft gezeigt wird Operierend im gemeinsamen Mensch/Roboter Arbeitsraum präzise konstant entlastend zuverlässig und flexibel die Arbeitsumgebung erfassend intelligent sensitiv Bildquellen: Skoda, Bosch

4 4 Moderne Industrierobotik Robotik wie sie uns aktuell als die Zukunft gezeigt wird Operierend im gemeinsamen Mensch/Roboter Arbeitsraum präzise konstant entlastend zuverlässig und flexibel die Arbeitsumgebung erfassend intelligent sensitiv Technologischer Umbruch mit vielen Möglichkeiten und offenen Fragen! Bildquellen: Skoda, Bosch

5 5 Einführung in die Thematik Kollaborative Roboteranwendungen Wir unterscheiden koexistierende kooperierende kollaborierende Anwendungen mit sensitiven Robotern

6 6 Einführung in die Thematik Kollaborative Roboter Möglichkeiten der Zusammenarbeit:

7 7 Kleine Steigerung Mensch-Roboter-Roboter Kollaboration

8 8 Bei kollaborativen Robotern ist zu beachten sicherer (sensitiver) Roboter

9 9 Bei kollaborativen Robotern ist zu beachten sicherer (sensitiver) Roboter sicherer (sensitiver) Greifer

10 10 Bei kollaborativen Robotern ist zu beachten sicherer (sensitiver) Roboter sicherer (sensitiver) Greifer sicherer Griff

11 11 Bei kollaborativen Robotern ist zu beachten sicherer (sensitiver) Roboter sicherer (sensitiver) Greifer sicherer Griff das manipulierte Objekt

12 12 Bei kollaborativen Robotern ist zu beachten sicherer (sensitiver) Roboter sicherer (sensitiver) Greifer sicherer Griff das manipulierte Objekt die Bahn des Roboters

13 13 Mensch-Roboter Kollaboration ABER SICHER! 1. Asimov sches Gesetz [Ich, der Roboter 1950] Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzten oder durch Untätigkeit gestatten, dass einem menschlichen Wesen Schaden zugeführt wird Normativer Rahmen (für Industrieroboter - Auszug) 2006/42/EC: Maschinenrichtlinie IEC 61508: Funktionale Sicherheit ISO 12100: Risikobeurteilung EN ISO bzw. IEC 62061: Sicherheit von Maschinen EN ISO 10218: Industrieroboter Sicherheitsanforderungen ISO/TS 15066: Safety requirements for industrial robots

14 14 Roboter Sicherheit klassisches Betriebs-Szenario Geschützter Bereich für den Betrieb des Roboters Einhausung / Zaun / Lichtvorhang Sicherheitsbewerteter überwachter Halt des Roboters Not-Halt Risikominderung durch Stillstand und Ausdehnung des geschützten Bereichs Eingeschränkter manueller Betrieb bei on-line Programmierung / Teachen und zur Fehlerbehebung

15 15 Roboter Sicherheit bei Roboter-Mensch Interaktion Kollaborierender Betrieb (ISO /3.4) Zustand, in dem hierfür konstruierte Roboter innerhalb eines festgelegten Arbeitsraumes direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten hierfür konstruiert Redundant ausgeführte Schutzeinrichtungen zur Überwachung des Roboter-Systems, des Betriebs- und insbesondere des festgelegten Kollaborations-Raums mit Menschen zusammenarbeiten Norm definiert 4 Interaktionsformen für eine klar definierte, vorab festgelegte Aufgabe

16 16 Roboter Sicherheit bei kollaborierendem Betrieb ISO / Sicherheitsgerichteter überwachter Stopp Kollaborationsraum (KR) als Übergabebereich, z.b. manuelle Einlegestation Risikominderung durch Roboterstillstand, während Mensch im KR manipuliert Sicherheitsgerichteter Stopp gewährleistet bahntreues Anhalten, einen überwachten Stoppzustand und erlaubt einen definierten Wiederanlauf (sobald die Person den KR freigibt)

17 17 Roboter Sicherheit bei kollaborierendem Betrieb ISO / Handgeführter Betrieb Sicherheitsbewerteter überwachter Halt in Übergabeposition Durch Bedienperson mittels Führungseinrichtung manuell geführt Roboter bewegt sich nur bei direkter Befehlseingabe durch den Bediener Risikominderung durch Zustimmschalter und Not-Halt Taster

18 18 Roboter Sicherheit bei kollaborierendem Betrieb ISO / Geschwindigkeits- & Positionsüberwachung Risikominderung durch Gewährleistung eines hinreichenden Abstands zum Menschen Statische Bereiche / dynamische Abstände Grenzwerte durch Risikobeurteilung, diese betrachtet Roboter, Werkzeug, Werkstück und Task Sicherheitshalt bei Grenzwertverletzung (Reaktions- & Nachlaufzeit!) Erfordert sicherheitsgerichtete Roboter-, Abstands- und Geschwindigkeitsüberwachung

19 19 ISO / & ISO/TS Leistungs- & Kraftbegrenzung Roboter Sicherheit bei kollaborierendem Betrieb Risikominderung durch Begrenzung der mechanischen Einwirkung bei Kollision Betrachtung Manipulator, Werkzeug, Werkstück und Task Umsetzung durch geringe Geschwindigkeiten, Massen bzw. Antriebsmomente, angepasste Geometrie und Material, sicherheitsgerichtete Regelungsfunktionen, inhärent sichere Bauform, Berücksichtigung transienter und quasistatischer Kontaktsituationen

20 20 Robot-Safety bei Roboter-Mensch Interaktion Leistungs- und Kraftbegrenzung (ISO / & TS 15066/5.5.5) vielseitigste Kollaborationsform, aber: Begrenzung beschränkt das Anwendungsspektrum Risikoanalyse erfordert eine Task-spezifische Beurteilung der möglichen transienten und quasi-statischen Kontaktsituationen ISO/TS definiert Grenzwerte und Situationsbetrachtungen Biomechanische Studien bezüglich Schmerzempfinden und Verletzung als Basis Definition von 29 möglichen Kontaktpunkten und Spezifikation der Grenzwerte für Druck- und Kraft-Einwirkung (sowohl für transienten und quasi-statischen Kontakt) D.h.: Erweiterung von Kraft & Geschwindigkeit auf Druck & Energie sowie dem temporären Profil

21 21 Robot-Safety bei Roboter-Mensch Interaktion Leistungs- und Kraftbegrenzung (ISO / & TS 15066/5.5.5) Beispielhafte Grenzwerte lt. ISO/TS (Tabelle A.2) Kopfbereich wird als kritische Zone eingestuft. Ein Roboter-Kopf Kontakt ist durch Gestaltung des Tasks/Arbeitsplatzes zu vermeiden! Für weitere Körperstellen gilt: (Auszug) Body Region Specific Body Area Quasi-Static Contact Max. perm. Max. perm. Presure Force Transient Contact Pressure Force Mult. Mult. N/cm 2 N P T F T Skull and 1 Middle of Forehead n.a. n.a. Forehead 2 Temple n.a. n.a. Face 3 Masticatory Muscle n.a. n.a. Neck 4 Neck Muscle Seventh Neck Muscle Back and 6 Shoulder Joint Shoulders 7 Fifth Lumbar Vertebra Chest 8 Sternum Pectoral Muscle Abdomen 10 Abdominal Muscle Pelvis 11 Pelvic Bone Upper Arms and 12 Deltoid Muscle Ellbow Joints 13 Humerus

22 22 Experimentelle Erfassung der biomechanischen Grenzen Versuchsaufbau Source: Fraunhofer IFF

23 23 Levels für Empfindung und Verletzung Source: ABB

24 24 Ziele der ISO/TS Handhabbare Vorgaben Einbeziehung medizinischer Daten Biomechanische Grenzen Experimentell ermittelte Schmerzgrenzen Richtlinien sollen von den Roboter- Herstellern und Endkunden akzeptiert werden Einfache Messmittel und Ermittlung der Daten Source: Fraunhofer IFF

25 25 Norm ISO/TS Sicherheitsdiagramme für drei Regionen Hämatome sollen in weniger als 5% auftreten Die erlaubte Geschwindigkeit des Roboters kann berechnet werden

26 26 Klassifikation in der ISO/TS Source: ABB

27 27 Norm ISO/TS Messmittel zur Systemverifikation Kraft (mit variabler Kraft/Weg- und Dämpfungscharakteristik) Druck (orts- und zeitaufgelöst) Bildquelle: IFA, GTE

28 28 Messsystem für kollaborative Roboteranwendungen bei JR ROBOTICS Messtechnische Erfassung ungewollter Roboter-Mensch Kollision Überprüfung Roboter, Greifer und Task / Bewegungsablauf Überprüfung im JR-Messlabor und vor Ort Unterstützung bei Entwurf, Realisierung und der Inbetriebnahme kollaborativer Robotik Kooperation mit TÜV-Austria

29 29 ROBOTICS Technologiefelder ROBOTICS bildet für die JOANNEUM RESEARCH die wissenschaftlich/technische Brücke zwischen digitaler und realer Welt. das wissenschaftliche Themenspektrum umfasst innovative Industrie- und Servicerobotik Mensch/Roboter Kollaboration und Interaktion Roboter Sicherheit (Safety & Security) anwendungsorientierte Künstliche Intelligenz sowie Mechatronik im Allgmeinen. steht für komplexe, innovative und sichere Robotik Systeme und bietet daher Lösungen für die über klassische Systemintegration hinausgehende Themen der modernen Robotik und Automatisierung.

30 30 ROBOTICS Standort Aktueller (Übergangs-) Standort Standardräumlichkeit im Lakeside Science Park optimal für F&E im IKT Sektor ca. 400 m² Bürofläche Zusätzlich ca. 250 m² Laborfläche für mobileund serielle Robotik Räumliche Eignung für den geplanten personellen Ausbau bis ca. Ende 2017 und einer fachlichen Beschränkung auf die Themenstellungen Leichtbaurobotik, Mensch- Roboter Interaktion, sichere Greiftechnik, mobile Manipulation und Robot-Safety

31 31 ROBOTICS Standort Lakeside ab ca. Mitte 2018: Übersiedlung in einen zu errichtenden Neubau am Standort Lakeside Park Büro- und Laborflächen für ca. 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 550 m² Laborfläche für Leichtbau-, Mobile- und Industrierobotik Österr. Prüflabor für Roboter-Sicherheit Ca m² Gesamtfläche

32 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh ROBOTICS Institut für Robotik und Mechatronik Lakeside B08a, 9020 Klagenfurt