Sichere Mensch-Roboter Kooperation

Transkript

1 Sichere Mensch-Roboter Kooperation 33. Sitzung des VDI/VDE-GMA- Fachausschuß Steuerung und Regelung von Robotern

2 Inhalt: Einleitung Stand der Wissenschaft und Technik Risikobeurteilung Anforderungen Konzepte Systemaufbau Präventive Sicherheitsmaßnahmen Kapazitive Näherungssensorik Taktile Sensoren Motorstromüberwachung Fehlerbehandlung Montageapplikation Zusammenfassung

3 Einleitung : Motivation: Sichere Mensch-Roboter Kooperation Betrieb des Roboters ohne trennende Schutzeinrichtungen Reduzierung des Flächenbedarfs Reduzierung der Investitionen durch Einsparung der Schutzzäune und Sicherheitseinrichtungen Neue Einsatzmöglichkeiten durch Kombination der Roboterfunktionen mit den sensorischen Fähigkeiten des Menschen Personaleinsparung durch Aufteilung der Arbeitsinhalte Roboter / Mensch Erschließung neuer Anwendungsfelder Problemstellung: Keine Gefährdung des Menschen durch Kooperation mit dem Roboter

4 Stand der Wissenschaft und Technik: Strenge Trennung der Arbeitsräume durch Schutzeinrichtungen gemäß DIN EN 775: Feststehend trennend (z. B. Schutzzäune) Beweglich trennend (z. B. Türen, Tore) Nicht trennende (z. B. Laserscanner) Konzepte zur Mensch-Roboter Interaktion: Cobot (maschinelles Assistenzsystem für Handhabungsaufgaben) SFB 588 Mensch-Roboter Kooperation am IPR DLR Soft Robotik (Leichtbauroboter) Kameraüberwachung (IPA)

5 Risikobeurteilung: Sichere Mensch-Roboter Kooperation Robotersystem KR 3 Risikobeurteilung gemäß DIN EN > Durch den direkten physischen Kontakt erhöht sich die mechanische Gefährdung (Quetschung, Scherung, Stoß) Grenzen der Maschine definieren Alle Gefährdungen identifizieren Risiko jeder Gefährdung einschätzen Risikoanalyse Risikobeurteilung Gesamtrisiko bewerten Ist die Maschine sicher Nein Risiko mindern DIN EN (Nutzungssicherheit kraftbetätigter Tor gibt einen Grenzwert für eine dynamisch Kontaktkraft von 400 N an (150 N statisch)

6 Anforderungen : Sichere Mensch-Roboter Kooperation F Kontakt < 400 N (DIN EN 12453) Elastische Schutzhülle Annäherung an ein Objekt führt zu reduzierter Geschwindigkeit; direkter Kontakt zum Stop Robustes Abstandserkennungssystem Sicherheitskategorie 3 (DIN 954) M Antrieb 0, im Gefährdungsfall

7 Konzepte : Sichere Mensch-Roboter Kooperation Passive Maßnahmen zur Reduzierung des Gefährdungspotentials Reduzierung des Antriebsmomentes Eingrenzung der kinetischen Energie durch Reduzierung der Zwischenkreisspannung im Frequenzumrichter des Motors Begrenzung der kinetischen Energie durch sichere Geschwindigkeitsüberwachung Überwachungen des Robotersystems durch Sensoren Interne Sensorik (Winkelmeßsystem, Motorstrom) Externe Sensorik Optisch (Kameras, Laserscanner) Akustisch (Ultraschall) Elektrisch (induktiv, kapazitiv) Taktil

8 Systemaufbau: Präventive Sicherheitsmaßnahmen: Reduzierung der maximalen kinetischen Energie bzw. der übertragbaren Kontaktkraft F Kontakt Dämmende Schutzhülle AktiveSicherheitsmaßnahmen durch Sensorüberwachungen: Kapazitive Abstandsensoren: Detektion der Annährung von Objekten - Reduzierung des Overrides auf 10% - Reduzierung der Zwischenkreisspannung auf 24 V Taktile Sensorhaut: Detektion eines direkten physischen Kontaktes - Reduzierung der Zwischenkreisspannung auf 24 V - Stop nach Kategorie 2 Motorstromüberwachung: Detektion eines achsspezifischen Störmomentes - Stop nach Kategorie 2 - Nach 0,5 sec Stillstand, Bewegung entgegen des Störmomentes

9 Präventive Sicherheitsmaßnahmen: Energieabsorbierende elastische Schutzhülle Begrenzung der maximal im Robotersystem gespeicherten kinetischen Energie => Begrenzung der maximalen Kontaktkraft (400 N)t Bestimmung der kinetischen Energie für die einzelnen Teilelemente (z.b. Schwinge, Arm, Hand): 1 T 1 T EKin = 0 x s m 0 x s + s J s 2 2 Gesamtenergie: E Kin Roboter = n i= 1 E Kin,i E E E E E Kin,1 Kin,2 Kin,3 Kin,4 Kin,5 = E = E = E = E = E Kin,Karussell Kin,Schwinge Kin,Arm Kin,Hand Kin,Traglast

10 Kapazitive Näherungssensoren: Meßgröße : Änderung der Kapazität: C = 0 r A l 0 r A l : : : : Dieelektrizitätskonstante des Vakuums (8, F/m) ε r relative Dieelektrizitätskonstante ( Plattenfläche Plattenabstand, Wasser( Mensch) ε r, Luft = 81) Meßelektroden als Kupferfolie auf der Roboterstruktur Meßabstand > 200 mm

11 Taktile Sensoren: Sichere Mensch-Roboter Kooperation Taktiler Flächensensor auf Lichtwellenleiter Basis: Detektion von Mikroverkrümmungen in der Glasfaser Größere Streuung des Lichtes bei Austritt aus der Glasfaser Aufbringen der Glasfaser auf einem Gitter Kein Störung des elektrischen Feldes der kapazitiven Sensoren Leuchtdiode Glasfaserkabel Photozelle

12 Motorstromüberwachung: Synchronmotore reagieren durch eine Steigerung des Antriebsmomentes auf von außen aufgebrachte Momente Erwartetes Antriebsmoment kann a priori berechnet werden Bei zu großer Abweichung vom Sollwert wird von einer Kollision ausgegangen

13 Fehlerbehandlung: Präventive Sicherheitsmaßnahmen Kapazitive Näherungssensoren Taktile Sensorhaut Motorstromüberwachung F Kontakt < 400 N Zwischenkreisspannung auf 24 V absenken Gegenbewegung System- Override auf 10% absenken Stop nach Kategorie 2

14 Montageapplikation: Autonom automatisierte Montage Manuelle Montage Zeitlicher Ablauf Lagerhülse Radialwellendichtring Passcheibe Spiralkegelrad Rillenkugellager Kooperative Montage durch Mensch und Roboter Fügen der Spiralkegelradbaugruppe in die Lagerhülsenbaugruppe Führen und Fügen der Baugruppe zur Lagerbuchse

15 Zusammenfassung: Stand der Wissenschaft und Technik Risikobeurteilung für Kleinrobotersystem Anforderungen Konzepte => Systemaufbau : Präventive Sicherheitsmaßnahmen Kapazitive Näherungssensorik Taktile Sensoren Motorstromüberwachung Betrachtung der Fehlerbehandlung Anwendungsbeispiel