Björn Matthias, ABB AG Forschungszentrum Deutschland, Kollaborierende Roboter Stand der Safety-Normung und Umsetzungsbeispiel YuMi

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1 Björn Matthias, ABB AG Forschungszentrum Deutschland, Kollaborierende Roboter Stand der Safety-Normung und Umsetzungsbeispiel YuMi Slide 1

2 Kollaborierende Roboter Stand der Safety-Normung und Beispiel YuMi F v rel Einführung Normung YuMi Übersicht der relevanten Normen Arten des kollaborierenden Betriebs ISO/TS Stand der Arbeiten Risikominderung bei der kollaborierenden Montage Collaborative Automation Collaboration & Ergonomics Assembly Processes Material Flow Application Examples Weitere Fragestellungen Slide 2

3 Einführung Individualisierung von Produkten hoch Driver for Human-Machine hoch Variantenvielfalt Collaboration niedrig niedrig Produktivität Kollaborierende Montage Automatische Montage Manuelle Montage Flexibilität niedrig niedrig Losgröße hoch hoch (nach B. Lotter) Slide 3

4 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 Slide 4

5 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 Slide 5

6 Kollaborierende Roboter Sicherheitsprinzipien (1) Sicherheitsgerichteter überwachter Stopp (ISO , ; ISO/TS 15066, 5.5.1) 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, 5.5.2) Risikominderung durch direkte Steuerung der Roboterbewegung vom Bediener Umsetzung durch (Bedienelemente am Werkzeug) Not-Halt Taster Zustimmschalter Slide 6

7 Kollaborierende Roboter Sicherheitsprinzipien (2) Geschwindigkeits- und Positionsüberwachung (ISO , ; ISO/TS 15066, 5.5.3) 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, 5.5.4) 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 DC523 KNX Coll. HMI VR1. VR2. BJE. Slide 7

8 Mensch-Roboter-Kollaboration 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 (padding) 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 (padding) v rel F Slide 8

9 Model of transient contact event Robot Human body region Describe as inelastic 2-body collision Estimate worst case forces, pressures, energy transfer, power, Properties of robot Effective mass at point of contact Nature of material at point of contact (e.g. padding) Properties of human body region Effective mass at point of contact Body region specific compliance and limit criteria Tissue modeling as visco-elastic material (spring constant proportional to contact area) Characteristics of contact Shape of contact surface(s) Increase of contact area during contact event Contact short enough to neglect dissipative effects, i.e. consider as elastic Slide 9

10 General approach effective inelastic 2-body collision = reduced mass of 2-body system of robot and human body section = relative speed between robot and human body section = coefficient of restitution = effective spring constant of body area (here assumed constant) = maximum compression of tissue in area of contact = average contact area during contact event, = force, pressure limit values for specific body region Kinetic energy transfer: Worst-case assumption: Energy stored in spring : = =0 è = 1 2 = 1 2 = 2 Fully deposit kinetic energy into tissue as modeled by spring: 2 = 1 2 è = = < è < Slide 10 = 1 + 1

11 Effective mass of robot (1) Proper formulation from complete equation of motion of robot Equation of motion for stiff robot +, + = + R : vector of joint angles R : mass/inertia matrix R : centripetal and Coriolis matrix R : gravity vector R : joint motor torque vector R : external contact torque vector Effective mass in direction of unit vector : = where = Kinetic energy = 1 2 Jacobian matrix such that = Translational and rotational parts = Slide 11

12 Effective mass of robot (2) Approximate formulation: Lumped parameter model Example for stiff 3 DOF robot Effective moving mass at contact location (reflected inertia) Speed of contact location Material properties of contact location E.g. padding Compliance of kinematic chain Can reduce effective mass = = Slide 12

13 ISO/TS Body Model Figure A.1 Body Model Table A.1 Body Model Descriptions Body Region Specific Body Area Front/ Rear Skull and forehead 1 Middle of forehead Front 2 Temple Front Face 3 Masticatory muscle Front Neck 4 Neck muscle Rear 5 Seventh neck vertebra Rear Back and shoulders 6 Shoulder joint Front 7 Fifth lumbar vertebra Rear Chest 8 Sternum Front 9 Pectoral muscle Front Abdomen 10 Abdominal muscle Front Pelvis 11 Pelvic bone Front Upper arms and elbow 12 Deltoid muscle Rear joints 13 Humerus Rear 16 Arm nerve Front Lower arms and wrist joints 14 Radial bone Rear 15 Forearm muscle Rear Hands and fingers 17 Forefinger pad D Front 18 Forefinger pad ND Front 19 Forefinger end joint D Rear 20 Forefinger end joint ND Rear 21 Thenar eminence Front 22 Palm D Front 23 Palm ND Front 24 Back of the hand D Rear 25 Back of the hand ND Rear Thighs and knees 26 Thigh muscle Front 27 Kneecap Front Lower legs 28 Middle of shin Front 29 Calf muscle Rear Slide 13 NOTE: D = dominant body side (right or left); ND = non-dominant body side

14 ISO/TS Limit Values for Force and Pressure To be published Dec Slide 14 Table A.2 Biomechanical limits

15 Speed Limits vs. Effective Robot Mass for Different Body Regions for Free Transient Contact To be published Dec Slide 15

16 Speed Limits vs. Effective Robot Mass for Different Body Regions for Constrained Transient Contact To be published Dec Slide 16

17 YuMi - IRB /0.55 Overview IRB /0.55 Payload Reach Repeatability Footprint Weight Controller Programming Gripper Application supplies Connections 0.5 kg per arm 559 mm 0.02 mm 399 mm x 497 mm 38 kg IRC5 integrated in torso Lead-through or RAPID Temperature 5 C 40 C IP Protection IP 30 ESD Protection Clean room / food grade Speed Supervision Servo, 2x suction, integrated vision Ethernet, 24 V, air to flanges Ethernet, digital I/O 8in/8out, air Certified No Configurable up to 1.5 m/s Safety Performance PL b, cat. B (ISO ) Group Slide 17

18 ABB YuMi Safety Concept Protection Levels Measures for risk reduction and ergonomics improvement Level 6 Level 5 Level 4 Level 3 Level 2 Level 1 Perception-based real-time adjustment to environment Personal protective equipment Software-based collision detection, manual back-drivability Power and speed limitation Injury-avoiding mechanical design and soft padding Low payload and low robot inertia Robot system mechanical hazards Transient contact Quasi-static contact Other, application-specific ABB collaborative industrial robot concept Slide 18

19 YuMi Target growth markets Small Parts Assembly Consumer Products Toy Industry Collaborative Assembly Camera-based inspection and assembly Accurate and fast assembly Testing and packaging Slide 19 Collaborative Assembly (Plastic parts etc.) Packaging of small goods Multifunction hand for add components Collaborative Assembly (toys) Use of feeding and vision options

20 Assembly Process Sensing Concepts Digital sensor for material detection and sequence control Photo sensor Proximity sensor Integrated vision system for flexible part detection External camera Integrated camera June 25, 2015 Slide 20

21 Assembly Process Dual-Arm Assembly Independent tasks for cycle time optimization with fixtures in workspace BJE Hand-in-hand assembly for flexibility without fixtures in workspace HMI. June 25, 2015 Slide 21

22 Collaboration & Ergonomics Integration in Assembly Lines Working side-by-side with humans 7 degree-of-freedom manipulator for kinematic redundancy Compact motion w/o disturbing the human worker Task distribution between human and robot Sharing tasks for agility Repetitive tasks assigned to the robot Complex tasks assigned to the human worker Duplicate capacity for scalable production SMDSO. June 25, 2015 Slide 22

23 Sicherheit, Akzeptanz und Produktivität bei MRK Offene Fragen Sicherheit Sicherheitsgerichtete Sensorik zum Tracking von Werkern im Arbeitsraum (speed and separation monitoring) Weitere Messergebnisse zu Grenzwerten für mechanische Beanspruchung von Körperregionen Konzepte zur sicherheitsbezogenen mechanischen Konstruktion Dynamische Anpassung der Safety-Konfiguration nach Situationsbedarf Akzeptanz Dynamische Anpassung des Roboterverhaltens an kollaborierende Situation im Spannungsfeld Montageaufgabe vs. Werkerpräsenz Definition und Bedeutung der Ergonomie von kollaborierenden Applikationen Bedienkonzepte speziell für den kollaborierenden Betrieb Möglichkeiten komplexe Montageabläufe zu programmieren, auch ohne Roboterexpertise Produktivität Anlagenkonzepte speziell für kollaborierende Montage Regeln / Algorithmen für Aufgabenverteilung Werker Roboter Wirtschaftliche Kombinationen von Losgrößen, Stückzahlen, Aufgabenkomplexität, Praktische Erfahrungen mit Geschäftsmodellen Slide 23

24 Stand der Safety-Normung und Beispiel YuMi Zusammenfassung Safety-Normung ISO/TS Veröffentlichung Dez Anforderungen für kollaborierenden Betrieb inkl. biomechanische Kriterien für power and force limiting Mittelfristig Integration in ISO YuMi - IRB /0.55 Kollaborierender Roboter gemäß Leistungs- und Kraft-Begrenzung Montage z.b. für kleine Losgrößen und große Variantenvielfalt Mensch und Roboter bringen jeweilige Stärken ein Ausblick Forschung über Disziplingrenzen hinweg Technologische Verbesserungen Bewährung in der Praxis Überarbeitung der Normen Slide 24

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