Björn Matthias – 2011-01-26 Sichere MRK in industriellen ... · PDF fileQuelle: World Robotics 2007 – UNECE / IFR Die „Roboter-Zone

Sichere MRK in industriellen AnwendungenEntwicklungsschritte bei ABB Corporate Research

Björn Matthias – 2011-01-26

44. Sitzung des FA 4.13 »Steuerung und Regelung von Robotern«

Praxisnahe Definition

Wirtschaftliche Relevanz

Normen und Gefährdungsbeurteilung

Entwicklungsbeispiele

Offene Fragen und Ausblick

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenÜbersicht

2011-01-26 | Slide 2

© ABB Group

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenPraxisnahe Definition

MRK = Mensch-Roboter-KooperationHier: MRK für industrielle Anwendungen

ISO 10218-1:20063.4 kollaborierender BetriebZustand, in dem hierfür konstruierte Roboter innerhalb eines festgelegten Arbeitsraums direkt mit dem Menschen zusammenarbeiten

Fraunhofer IPA(z.B. S. Thiemermann, J. Spingler, Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF), 96 (2001), Nr. 11-12, S. 616-620)

Gemeinsamer, überlappender Arbeitsraum für Mensch + Roboter, sowie geplante Arbeitsteilung mit Schritten sowohl für Mensch als auch für Roboter

2011-01-26 | Slide 3

© ABB Group

Keine gemeinsame Bewegung

Kei

ne B

erüh

rung

Ber

ühru

ng m

öglic

h

Gemeinsame Bewegung

Sichere MRK in industriellen Anwendungen

Kooperationstyp1. Einmalig zum Einrichten

(z.B. Einlernhilfe)

2. Punktuell wiederkehrend(z.B. manuelles Einlegen, dritte Hand)

3. Regelmäßig bis dauerhaft(z.B. Handführung)

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen


1

2

3

2011-01-26 | Slide 4

© ABB Group

Zeit


Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen


Typ 1Inbetriebnahme

Typ 2Diskrete Aufgaben

Typ 3Kontinuierliche Aufgaben

autonomeRoboterbewegung

kontinuierlicheKooperation

diskreteKooperation

2011-01-26 | Slide 5

© ABB Group

Gesellschaftlicher Trend

Individualität und Differenzierung

Daraus folgender Markttrend

Steigende Variantenvielfalt industriell gefertigter Konsumgüter

Sinkende Modell-Lebensdauer

Aus Massenproduktion wird Massenspezialisierung („masscustomization“)

Herausforderung an die industrielle Fertigung

Effiziente Produktion für hohe Variantenvielfalt und kurze Modell-Lebensdauer

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenWirtschaftliche Relevanz

Konsum- und Markttrend

2011-01-26 | Slide 6

© ABB Group

Flexibilitätsforderung

Modell- und Variantenvielfalt steigen

Modell-Lebensdauer sinkt

Einsatzbereich der Robotik erweitern durch

Flexibilitätssteigerung

Effizientere Lösungen

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenWirtschaftliche Relevanz

Quelle: World Robotics 2007 – UNECE / IFR

Die „Roboter-Zone“

2011-01-26 | Slide 7

© ABB Group


Mensch

+ Wahrnehmen+ Reagieren+ Adaptieren+ Improvisieren- Langsam- Geringe Kräfte - Wenig

wiederholgenau- Inkonsistente

Qualität

Roboter+ Hohe

Geschwindigkeit + Ggf. hohe Kräfte + Wiederholgenau+ Konsistente Qualität- Sehr einfache

Sensorik- Begrenzte Adaptivität- Beschränkter

Arbeitsbereich

Synergie: MRKAutomatisierung bei höchster Flexibilität (Varianten , Losgrößen )Neue Ergonomie-FunktionalitätErschließung neuer AnwendungenErschließung neuer Marktsegmente (KMU)

Optimaler Automatisierungsgrad < 100%Bei steigendem Automatisierungsgrad:

Wird Ausrüstung zunehmend teurerWird manuelle Fertigung zunehmend wettbewerbsfähig

Fertigungskosten vs. Automatisierungsgrad


2011-01-26 | Slide 8

© ABB Group


100%ige AutomatisierungAufwendige Absicherung

Mehr Maschinen, Roboter

Weniger flexibel bei Umstellung

Mehr qm Flächenbedarf100% automatisiert

partiell automatisiert

Sicher überwachte Zone

Fördertechnik

Arbeitsstation

Roboter

Werker

Partielle AutomatisierungSensorische Absicherung

Weniger Maschinen, Roboter

Flexibler bei Umstellung

Weniger qm Flächenbedarf


Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

2011-01-26 | Slide 9

© ABB Group

ISO 10218-1, Abs.

Art des kollaborierenden Betriebs

Piktogramm(ISO 10218-2)

5.10.2 Stopp und überwachter Stillstand

5.10.3 Handführung

5.10.4 Überwachte Geschwindigkeit und Abstand

5.10.5 Leistungs- und Kraftbegrenzung

ISO 10218 spricht von

Industrieroboter im „kollaborierenden Betrieb“(industrial robots in „collaborative operation“)

4 Standard-Arten des kollaborierenden Betriebs(ISO 10218-1, Abschnitt 5.10)

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenNormen und Gefährdungsbeurteilung

2011-01-26 | Slide 10

© ABB Group

Gefährdungsbeurteilung gemäß ISO 13849-1, ISO 14121 ergibt typisch:

Standard-Industrieroboter(ISO 10218-1, 5.10.2/3/4)

Spezialisierte Roboter für kollaborierenden Betrieb unter ISO 10218-1, Abs. 5.10.5

Verletzungsschwere S2 (irreversibel) Verletzungsschwere S1 (reversibel)

Expositionshäufigkeit F1 (selten: Zaun) Expositionshäufigkeit F2 (häufig: kein Zaun)

Vermeidungsmöglichkeit P2 (gering) Vermeidungsmöglichkeit P2 (gering)

Erforderliche safety PL: PL d Erforderliche safety PL: PL c

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenNormen und Gefährdungsbeurteilung

2011-01-26 | Slide 11

© ABB Group

Basistechnologie Safety Controller„EPS“ (Electronic Position Switches) – seit 2007Achsbereichsüberwachung„SafeMove“ – seit 2008EPS + kartesisch + Orientierung

ApplikationsartenEinlegen bei sicherem Stillstand + automatischer Wiederanlauf (entspricht ISO 10218-1 Abs. 5.10.2)Handführen des Roboters durch sicheres Bedienpult am Werkzeug –„Produktionsassistent“ (entspricht ISO 10218-1 Abs. 5.10.3)Sichere Überwachung von Geschwindigkeit und Abstand (entspricht ISO 10218-1 Abs. 5.10.4)(Leistungs- und Kraftbegrenzung (nach ISO 10218-1:2006 Abs. 5.10.5, 5.10.6))

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenEntwicklungsbeispiele – Übersicht

2011-01-26 | Slide 12

© ABB Group

IRC 5

EPS SafeMove

AufbauStandard Industrieroboter + Steuerung:IRB6600 + IRC5 incl. Option SafeMove

Roll-Tor, Bereichsüberwachung davor (Hintertretschutz in Demo weggelassen)

FunktionenSicherer Stillstand zum Einlegen

Bei Verlassen des Einlegebereichs, Roll-Tor Schließung + automatischer Wiederanlauf

• Gefährdungsbeurteilung• Stoß durch Roboter

SafeMove: sicherer Stillstand

• Klemmung Hand/Finger an EinlegefensterRoll-Tor

• Hintertretenz.B. Scanner

• Vorzeitiger WiederanlaufBereichsüberwachung durch Scanner

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenEntwicklungsbeispiele – Einlegen bei sicherem Stopp

2011-01-26 | Slide 13

© ABB Group

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

AufbauStandard Industrieroboter + Steuerung: IRB6640 + IRC5 incl. Option SafeMove

MRK Steuerpult, sichere 2-Hand-Bedienung (Zustimmtaster), Not-Aus

Funktionen per Joystick

Virtuelle Schiene

Freies Verfahren

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenEntwicklungsbeispiele – Handführung

2011-01-26 | Slide 14

© ABB Group

• Gefährdungsbeurteilung

• Stoß durch Roboter bei > 250 mm/sSafeMove: v 250 mm/s

• Klemmung Hand/Finger durch Roboter an Zellenperipherie

Zwei-Hand-Bedienung

• Standardgefährdung unter OberarmArbeitsanweisung

AufbauZusammenarbeit mit Uni Bayreuth, Prof. Dominik HenrichStandard Industrieroboter + Steuerung: IRB6640 + IRC54 Grauwertkameras in Zelle verteiltFunktionen

Automatische GeschwindigkeitsanpassungIn der Demo nicht durchgehend sicherheitsgerichtet

Aktuelle ThemenSichere Implementierung von

dynamischen Zonenadaptiver Geschwindigkeitsanpassung

Sicherheitsgerichtete Schnittstellen zu entsprechender SensorikSichere Berücksichtigung von Bremswegen

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Sichere MRK in industriellen AnwendungenEntwicklungsbeispiele – dynamische Zonen

2011-01-26 | Slide 15

© ABB Group


Spezialisierte Roboterentwicklungen für kollaborierenden Betrieb gemäß ISO 10218-1, 5.10.5, z.B.

DLR / Kuka LWR (safety PL?)Universal Robots (Konzeptprüfung, F < 150 N)Neuronics Katana, TIM 101 (v < 250 mm/s)

Beschreibung der Applikationsanforderungen (und ggf. Praxis) in ISO/TS 15066 „Robots and robotic devices – Collaborative robots”Gefährdungsbeurteilung ist anders als für Standard-Roboter:

Detaillierte Kenntnis der Biomechanik von geringfügigen Verletzungen ist notwendigGesamtapplikation inkl. Werkstück etc. spielt eine besonders wichtige Rolle

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Entwicklungsbeispiele – Leistungs- u. Kraftbegrenzung

2011-01-26 | Slide 16

© ABB Group

FP7 ICT 230902 ROSETTA - Seite 17

ROSETTA

RObot control for Skilled ExecuTion of Tasks in natural interaction with humans; based on Autonomy, cumulative

knowledge and learning

ROSETTA entwickelt ergonomische Technologien für Industrieroboter, die durch menschenähnliche und sichere Bewegungen die Kooperation mit Werkern auf natürlich anmutende Weise ermöglichen. Diese Roboter werden intuitiv und effizient programmierbar sein, damit sie nach Produktionsumstellungen leichter an neue Aufgaben angepasst werden können.


Zielsetzung des Projekts

Übergeordnetes Ziel:Einen Industrieroboter dazu ertüchtigen, Aufgaben in

einer ansonsten manuellen Fertigungslinie zu übernehmen

Einfache Bedienbarkeit• Häufige Umstellungen einfach• Nur minimales Basiswissen nötig• Komplexe Aufgaben einfach

anweisen

Personensicherheit• Arbeitsplätze in beengter

Umgebung• Kooperation zwischen Mensch

und Roboter


Projekt-Steckbrief

EckdatenEU Siebentes Rahmenprogramm

Challenge 2 – Cognitive Systems, Interaction, Robotics

Projekt-Typ: Large-ScaleIntegrating Project (IP)Laufzeit: Mar. 2009 – Feb. 2013Gesamtvolumen: ca. 10 MEUR

KonsortiumABB AB (Schweden, Koordinator)ABB AG (Deutschland)DYNAmore GmbH (Deutschland)Fraunhofer IPA (Deutschland)K.U. Leuven (Belgien)Ludwig-Maximilians-Universität Munich (Deutschland)Lund University (Schweden)Politecnico di Milano (Italien)


Zielstellungen und Forschungsschwerpunkte

Zielstellungen Ertüchtigung von Robotern für komplexe Aufgaben mit hoher Flexibilität und RobustheitVerringerung des Einrichtaufwands für eine schnelle Produktionsumstellung von Produkt A auf Produkt BErstellung eines leicht bedienbarenProgrammiersystems, um ROSETTA-Roboter Funktionalität auch ohne qualifizierte Programmierer einzusetzenEntwicklung von neuer Sensorik, Regelungs-und Entscheidungs-Algorithmik für personensichere, direkte Mensch-Roboter-Interaktion in einem realistischen Produktionsszenario

ForschungsthemenIntuitive Programmierung des Roboters

Aufgabenorientierte ProgrammierungDarstellung von Wissen und FähigkeitenEngineering-Werkzeug

RobotersteuerungSensorintegrationMontage-Arbeitsschritte

LernenAnwendungsorientierte ArchitekturSemantische Wahrnehmung und Interpretation

PersonensicherheitDirekte Mensch-Roboter-InteraktionVerletzungskriterienÜberwachung des Arbeitsraums


Schwerpunkte und voraussichtliche Ergebnisse

SchwerpunkteFramework für Wissens-IntegrationAspekte des ErgonomieKriterien für PersonensicherheitRobot Kinematics

ErgebnisseNeue Anwendungen für Automatisierung mit RoboternErhöhte Flexibilität in Automatisierungs-LösungenSenkung der ProduktionskostenSteigerung der ProduktqualitätBeschreibung und Modellierung des physikalischen Kontakts Mensch-RoboterKlassifizierungsschema für Verletzungsrisiken ermöglicht Normung von „kollaborierenden Robotern“ (Mitwirkung bei ISO/TS 15066)


PY1 Highlight: Framework für Wissensbasis

Framework für Speicherung von und Zugriff auf Roboterfähigkeiten für Montage

• XML• RDF• SPARQL• AutomationML


PY1 Highlight: Untersuchung menschenähnlicher Bewegung

• Numerische Modellierung des Anpralls beim Mensch-Roboter Kontakt

• Modelle verifizieren und kalibrieren• Regeln ableiten für neue

Sicherheitsnormen• Entfernungsmessung zwischen Roboter

und Menschen in der Nähe, Bewegungsabsichten abschätzen

• Statische Planung und dynamische Anpassung der Roboterbewegung im Umfeld des menschlichen Kollegen

• Darstellung der menschlichen Bewegungsmuster bei Handhabung

• Erfassung der Kinematik des menschlichen Arms durch Messungen mit Markern


PY1 Highlight: Sicherheitskriterien

• HeuteKeine feststehenden SicherheitskriterienKeine Normung der Sicherheit kollaborierender Roboter möglich

• Unsere BeiträgeStrukturierte Beschreibung zur Klassifizierung der InteraktionsszenarienBewerten eines digitalen Modells des menschlichen Körpers mit FEM SoftwareImplementierung von Geometrie und Materialdaten für menschlichen Arm unter Berücksichtigung von Knochenstruktur und WeichgewebeMessaufbau für Kollisionsmessungen

• MorgenStandardkriterien zur Bewertung der Sicherheit von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern

Freier Stoß begrenzt

teilweise begrenztteilweise begrenzt

Kontaktgeometrien:


PY1 Highlight: Roboterkinematik

• Holonome(wiederholbare) Auflösung der Redundanz für eine wohldefinierte Roboterbewegung

• Sicherheitsabstand zu Hindernissen halten

• Integrierte Echtzeit-Sensoren zur dynamischen Erfassung von bewegten Objekten

• Steuerungsarchitektur entwickelt

“Kinetostatic danger field” für 2-achsigen Manipulator


Aktuelle Fragen und Ausblick

Leichte BedienbarkeitAnpassung an Benutzergruppen ist ein DauerthemaRoboter-Spezifika in den Hintergrund / Applikations-Spezifika in den Vordergrund„low-cost“: Bedienung einfach wie ein elektrisches (Hand-) Werkzeug, wenige „Knöpfe“ führen zum Ziel„high-end“: Durch „maschinelles Lernen“ wird der Roboter zum kompetenten „Kollegen“, kann auf „Erfahrung“ zurückgreifen, versteht komplexe Kommandos

Sicherheit in der Mensch-Roboter KooperationNormung (ISO / TS 15066 Robots and robotic devices - Safety requirements -Industrial collaborative workspace)Entwurfsrichtlinien und Testverfahren für personensichere RoboterRegelungstechnische Beeinflussung des Roboters zur gleichzeitigen Minimierung des Verletzungsrisikos und der TaktzeitLangfristig: Sicherheit nicht mehr im Arbeitsablauf, sondern im Hintergrund (Erfassung der Situation Bewertung der Personensicherheit Anpassung der Bewegung)


MRK mit Standard-IndustrieroboternSichere Kommunikation zwischen sicherheitsgerichteten Sensoren und sicherheitsgerichteter Robotersteuerung

Zur Konfiguration vorab + zur Laufzeit

Methodologie für die Gefährdungsbeurteilung und Erstellung von sicherer Applikationsstrategie

MRK mit spezialisierten Robotern ISO 10218-1, 5.10.5Schwellwerte für Schmerz und für geringfügige Verletzungen damit bewusste Gefährdungsbeurteilung durchgeführt werden können(experimentell: DGUV/IFA, Uni Ljubljanain Simulation: ROSETTA FP7-Projekt)Berücksichtigung des Werkzeugs, Werkstücks, Vorrichtungen, übrige Zelleneinrichtung in der GefährdungsbeurteilungMethodologie für den Entwurf einer sicheren GesamtapplikationISO/TS 15066 „Collaborative Robots“ – erster Entwurf ca. Ende 2011

Übersicht

Definition

Wirtschaftlichkeit

Normen

Beispiele

Offene Fragen

Offene Fragen und Ausblick

2011-01-26 | Slide 27

© ABB Group

Documents

Björn Matthias – 2011-01-26 Sichere MRK in industriellen ... · PDF fileQuelle: World Robotics 2007 – UNECE / IFR Die „Roboter-Zone