Handling und Montage mit Leichtbaurobotern

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1 Handling und Montage mit Leichtbaurobotern Bernd Gombert / gomtec GmbH Björn Matthias / ABB AG Forschungszentrum Sicher auf dem Weg zur Industrie 4.0

2 Handling und Montage mit Leichtbaurobotern Übersicht Motivation Variantenvielfalt, Losgröße 1 Lean Automation vs. Industrie 4.0 Kollaborierende Roboter Definition Sicherheitsprinzipien Normung, Stand ISO/TS Kollaborierende Montage Programmieren, Einlernen Ergonomie Industrie 4.0 Potential Zusammenfassung und Ausblick June 11, 2015 Slide 2

3 Motivation Mass Customization niedrig hoch Variantenvielfalt niedrig Manuelle Manuelle Montage Montage Losgröße Roboterzone Konventionelle Roboterapplikationen Transferlinie hoch Gesellschaftstrend Individualisierung, Betonung von Einzigartigkeit, sich Absetzen von Mitmenschen Resultierender Markttrend Zunehmende Produkt- und Variantenvielfalt Kürzere Produktzyklen Von Massenproduktion ( mass production ) zur Massenspezialisierung ( mass customization ) Herausforderung an die industrielle Produktion Effizienter Umgang mit Variantenvielfalt und kurzen Produktzyklen Häufige Lösung heute: manuelle Fertigung in Asien June 11, 2015 Slide 3

4 Motivation Automatisierungsgrad hoch hoch Variantenvielfalt niedrig niedrig Produktivität Hybride Montage Automatische Montage Manuelle Montage Flexibilität niedrig niedrig Losgröße hoch hoch (nach B. Lotter) June 11, 2015 Slide 4

5 Motivation Lean Automation und Industrie 4.0 Dienste Daten Remote Diagnostics-Lösungen Objekte Augmented Reality mit notwendigen Informationen June 11, 2015 Slide 5

6 Kollaborierende Roboter Definition MRK + kollaborierender Betrieb Temporal separation Temporal coincidence Classical industrial robotics applications à no HRC Spatial separation Spatial coincidence (adapted from S. Thiemermann, Dissertation, 2005) ISO :2011, Abschnitt 3.4 Kollaborierender Betrieb Zustand, in dem hierfür konstruierte Roboter innerhalb eines festgelegten Arbeitsraums direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten Arten des kollaborierenden Betriebs (ISO :2011, Abschnitt 5.10) 1. Sicherheitsgerichteter überwachter Stopp 2. Handführung 3. Geschwindigkeits- und Positionsüberwachung 4. Leistungs- und Kraftbegrenzung Kollaborationsgrad 1. Einmalig beim Einrichten (z.b. lead-through teachen, Typ 2) 2. Wiederholte isolierte Handgriffe (z.b. manuelles Einlegen, Typ 1) 3. Regelmäßig oder kontinuierlich (z.b. Handführung, Typ 2) 2 June 11, 2015 Slide 6

7 Kollaborierende Roboter Sicherheitsprinzipien (1) Sicherheitsgerichteter überwachter Stopp (ISO , , ISO/TS 15066) Risikominderung durch Stillstand sobald Bediener im Kollaborationsraum Umsetzung durch Überwachter Stopp Kat. 2 Stopp (IEC ) Kat. 0 Stopp im Fehlerfall (IEC ) Handführung (ISO , , ISO/TS 15066) Risikominderung durch direkte Steuerung der Roboterbewegung vom Bediener Umsetzung durch (Bedienelemente am Werkzeug) Not-Halt Taster Zustimmschalter June 11, 2015 Slide 7

8 Kollaborierende Roboter Sicherheitsprinzipien (2) Geschwindigkeits- und Positionsüberwachung (ISO , , ISO/TS 15066) Risikominderung durch Einhaltung eines hinreichenden Abstands zwischen Roboter und Bediener Umsetzung durch Abstandsüberwachung, Geschwindigkeitsüberwachung Sicherheitshalt im Falle der Verletzung der Grenzwerte Berücksichtigung des Nachlaufwegs Zusätzliche Anforderungen an Peripherie Z.B. sicherheitsgerichtete Kamerasysteme Geschwindigkeitsüberwachung Abstandsüberwachung Leistungs- und Kraftbegrenzung (ISO , , ISO/TS 15066) Risikominderung durch Begrenzung der mechanischen Einwirkung von Manipulator, Werkzeug, Werkstück auf den Bediener Umsetzung durch niedrige bewegte Massen, geeignete Geometrie und Material, Steuerungsfunktionen, Applikationen mit transientem und/oder quasi-statischem physischen Kontakt zwischen Roboter und Bediener June 11, 2015 Slide 8 DC523 KNX Coll. HMI VR1. VR2. BJE.

9 Kollaborierender Betrieb Arten gemäß ISO , -2 und ISO/TS ISO , Abschnitt Arten des kollaborierenden Betriebs Sicherheitsgerichteter überwachter Stopp (Beispiel: manuelle Einlegestation) Prinzip der Risikominderung Roboter steht still wenn Bediener im Kollaborationsraum Handführung (Beispiel: Betrieb als Handlings-Gerät) Roboter bewegt sich nur bei direkter Befehlseingabe durch Bediener Geschwindigkeits- und Positionsüberwachung (Beispiel: manuelle Teilebereitstellung) Roboter bewegt sich nur wenn Abstand > minimaler Abstand Leistungs- und Kraftbegrenzung (Beispiel: kollaborierende Montage) Roboter kann nur begrenzte transiente oder quasi-statische Krafteinwirkung ausüben June 11, 2015 Slide 9

10 Kollaborierende Roboter Normen für die MRK C-Normen ISO Robotersystem ISO Roboter ISO/TS Kollaborierende Roboter B-Normen ISO Integrierte Fertigungssysteme EN ISO :2008 IEC 62061:2005 A-Normen IEC Funktionale Sicherheit ISO Risikobeurteilung Gesetze und Direktiven Beispiel EU: Europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EC June 11, 2015 Slide 10

11 Kollaborierende Roboter Biomechanische Grenzwerte ISO / TS clause Power and force limiting Description Limit Criteria Accessible in Design or Control Transient Contact Contact event is short (< 50 ms) Human body part can usually recoil Peak forces, pressures, stresses Energy transfer, power density Effective mass (robot pose, payload) Speed (relative) Contact area, duration v rel Quasi-Static Contact Contact duration is extended Human body part cannot recoil, is trapped Peak forces, pressures, stresses Force (joint torques, pose) Contact area, duration F June 11, 2015 Slide 11

12 Kollaborierende Montage Technologiethemen Design of Workplace for CA Design of Product for CA Task Distribution Collaborative Assembly (CA) Programming, Assembly Skills Safety Ergonomics, Acceptance, Psychology Industrie 4.0 June 11, 2015 Slide 12

13 LBR Development, DLR History (Ende der 70er Jahre, Landzettel/Hirzinger) Vormachen von Bearbeitungskräften Abgleich der Kräfte und Momente zwischen Steuerkugel (Space Mouse) und Handwurzelsensor Bernd Gombert gomtec Proprietary Data. Company 13 by RG Mechatronics GmbH Confidential. All Rights Reserved

14 LBR Development, DLR History (Ende der 70er Jahre, Landzettel/Hirzinger) Vormachen von Bearbeitungskräften Bernd Gombert gomtec Proprietary Data. Company 14 by RG Mechatronics GmbH Confidential. All Rights Reserved

16 LBR Development, DLR History (Ende der 70er Jahre, Landzettel/Hirzinger) Vormachen von Bearbeitungskräften Kräfte/Momente durch den Operator vorgeben ( programmieren durch Vormachen) Bernd Gombert gomtec Proprietary Data. Company 16 by RG Mechatronics GmbH Confidential. All Rights Reserved

18 LBR Development History DLR - German Aerospace Center ROTEX - the first remotely controlled robot in space Bernd Gombert gomtec Proprietary Data. Company 18 by RG Mechatronics GmbH Confidential. All Rights Reserved

21 Kollaborierende Montage Ergonomie Roboter als Hebehilfe, Positionierhilfe für Lasten Kollaborationsart hand guiding Kontrolle über und Vertrauen in die Technik Entwurfsrichtlinien Roboter als Montagekollege in gemischter Mensch-Roboter Umgebung Kollaborationsart power and force limiting Dimensionen des Arbeitsplatzes Bewegungseigenschaften (Beschleunigung, Geschwindigkeit, Armpositionen, ) Kontrolle über und Vertrauen in die Technik Entwurfsrichtlinien? June 11, 2015 Slide 21

22 Kollaborierende Montage Ergonomie Akzeptanz kollaborierender Roboter in der Produktion Erste experimentelle Messung von Stressindikatoren als Funktion von Bewegungsmustern menschenähnliche Bewegung EKG relatives Signal SCR relatives Signal Menschenähnliche Ellenbogenführung June 11, 2015 Slide 22 EMG relatives Signal Alle Stressindikatoren minimal bei menschenähnlicher Bewegung EKG Elektrokardiographie SCR Hautleitfähigkeit EMG Elektromyographie (A.M. Zanchettin, L. Bascetta, P. Rocco, Politecnico di Milano; Acceptability of robotic manipulators in shared working environments through human-like redundancy resolution, Applied Ergonomics 44 (2013) ; Ergebnisse aus EU-FP7 Projekt ROSETTA)

23 Kollaborierende Montage Bewegungsverhalten von kollaborierenden Robotern Normalbetrieb Ellenbogen absenken Geschwindigkeit reduzieren Stillstand June 11, 2015 Slide 23

24 Kollaborierende Montage Industrie 4.0 Potential CAD Modell Produkt Baugruppe Baugruppe Bauteil Bauteil Bauteil Montage-Graph Bestellung à Modell Montage Information inkl. z.b. Kontaktkräfte Automatische Bestimmung der Abfolge und Anordnung Automatische Zuweisung an Roboter und Mitarbeiter Lose verkettet durch Montagefolge Ereignis-getrieben, nicht getaktet Roboter A: -Schritt1 -Schritt3 -Schritt4 Werker A: -Schritt2 -Schritt5 -Schritt6 Roboter B: -Schritt7 -Schritt9 - Schritt 12 Werker B: -Schritt8 - Schritt 10 - Schritt 11 June 11, 2015 Slide 24

25 Handling und Montage mit Leichtbaurobotern Zusammenfassung und Ausblick Steigende Variantenvielfalt und sinkende Losgrößen fordern weitere Flexibilitätserhöhung in der Produktion Lean Automation à hybride Montage bzw. MRK Leichtbauroboter im kollaborierenden Betrieb gemäß Leistungs- und Kraft-Begrenzung sind besonders geeignet für Lean Automation ISO/TS mit Sicherheitsanforderungen erscheint im Dez Montage und Bearbeitung benötigen Positionen und Kontaktkräfte à Programmierung durch Vormachen Ergonomie des MRK Arbeitsplatzes und der Roboterbewegung ist zentral für Akzeptanz Einbettung in Industrie 4.0 u.a. zur effizienten Handhabung der Vorbereitung eines Fertigungsauftrags June 11, 2015 Slide 25

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