Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als Schutzeinrichtung an ... · Sicherheit nach EN ISO 13849-1 11.06.2014 Erreichte Performanz und Sicherheit Mittlerer US

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Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als

Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern

Fachbereich D der Bergischen Universität WuppertalBjörn Ostermann

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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick

Inhalt

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Industrielle Praxis

Einleitung11.06.2014

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KollaborierendRoboter und Mensch im „Kontakt“

• Mechanik:– Reduzierte Kräfte

– …

• Sensorik:– Umgebung wahrnehmen

– …

• Steuerung:– Geschwindigkeit reduzieren

– ausweichen

• Psychologie:– Zusammenarbeit mit

schnellem, ausdauernden Partner

Einleitung11.06.2014

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• Forschung– neue, flexible Arbeitsplätze

• Industrie– effiziente Arbeitsplätze

– Arbeitsplätze einsparen

• IFA – DGUV– Bedürfnisse nach Manipulationen senken

– Manipulationen erschweren

– Sicherheit des Arbeitnehmers erhöhen

Einleitung

Ziel kollaborierender Arbeitsplätze

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These I• Eine

sicherheitsgerichteteÜberwachung eines Arbeitsbereichs mit bekannten Ausmaßen kleiner 5x5m ist mit Sensortechnik ohne Marker möglich.

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These II• Eine Erfassung und

Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend schnellmöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.

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These III• Eine Erfassung und

Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend genaumöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.

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These IV• Mehrere aktive

Sensoren lassen sich zu einem redundanten Array zusammenschalten um eine sichere zweikanalige Auswertung zu ermöglichen. Hierbei wird der notwendige Performance Level „d“nach EN ISO13849-1:2008 erreicht.

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These V• Die in dieser Arbeit

entwickelte Schutzeinrichtung kann die rechtlichen Anforderungen an das Inverkehrbringenerfüllen und damit eine Grundlage zur Erfüllung der Arbeitsschutz-anforderungen an ein kollaborierendes Robotersystem bilden.

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AEU-Vertrag(Art. 114) (Art. 153)

ArbSch-Rahm.-RL 89/391/EWG

AMB-RL 2009/104/EG

[…] RL MRL2006/42/EG

Herkunft der Anforderungen

Rechtliche Grundlagen

Freier Warenverkehr Arbeitsschutz

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ProdSG(§ 3 Abs. 1)

[…] ProdSV 9. ProdSV

ArbSchG(§ 19)

BetrSichV

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• Freier Warenverkehr:– MRL 2006/42/EG, Art. 5(1)a):

Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllen

– MRL 2006/42/EG, Anhang I, Allgemeine Grundsätze 3:Maßgabe: Stand der Technik

• Arbeitsschutz:– BetrSichV, §7 Abs. 1:

grundsätzlich nur Arbeitsmittel die dem Binnenmarktrecht entsprechen erstmalig bereitstellen

– BetrSichV, §4 Abs. 2:Arbeitsmittel u.a. nach Stand der Technik bereitstellen

Anforderungen

Rechtliche Grundlagen11.06.2014

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• bewegliche Teile, die am Arbeitsprozess beteiligt sind– Schutz durch nichttrennende Schutzeinrichtungen

möglich / zulässig

• Anforderungen an nichttrennende Schutzeinrichtungen– bewegliche Teile vor Erreichen stillsetzen– keine Bewegung zulassen, wenn Personen im

Gefahrenbereich sind

• Sicherheit und Zuverlässigkeit von Steuerungen

• Ingangsetzen– automatisches Wiederingangsetzen nach einer

Abschaltung darf nicht zur Gefährdungssituation führen

• Lärm

Anforderungen aus 2006/42/EG Anhang I

Technische Anforderungen11.06.2014

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• EN ISO 10218 Teil 1 und 2 „Industrielle Roboter“– PLr d; Kategorie 3

• EN ISO 13849-1 „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“– Kategorie 3: einzelne Fehler dürfen nicht zum Verlust der

Sicherheitsfunktion führen

• EN ISO 13855 „Anordnung von Schutzeinrichtungen“– Diagramm

• EN 61496-1 „Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen“– Kategorie 3 ≈ BWS Typ 3

• VDI 2058 2 und VDI 3766 „Am Arbeitsplatz erlaubter Ultraschallpegel“– für 50 kHz: maximaler 5 Minuten Terzschalldruckpegel von bis zu

110 dB kann als unbedenklich angesehen werden– Z-bewertete Spitzenschalldruckpegel: 140 dB

Hilfestellung aus Normen

Technische Anforderungen11.06.2014

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• EN ISO 13855 „Anordnung von Schutzeinrichtungen“

Hilfestellung aus Normen

Technische Anforderungen

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Ges

chw

ind

igke

it R

ob

ote

r [m

/s]

Abstand Mensch - Roboter [mm]

Sicherheitstechnisch zulässig 1,5m/s Max.

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Arbeitssystem

Arbeitssystem

Arbeitsumgebung

Arbeitsablauf

ArbeitenderBenutzer

Arbeits-aufgabe

Arbeits-gegenstand

Arbeits-mittel

Eingabe

Ausgabe

Arbeitsplatz

Arb

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Planung des Arbeitssystems

Arbeitssystem

Arb

eits

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egen

stan

d

Arb

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egen

stan

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ArbeitenderBenutzer

Arbeits-mittel

Arbeitsplatz

Tisch 2Tisch 1

Beobachter Arbeitsraum

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Arbeitssystem: Demonstrator München

Arbeitssystem

Quelle: EsIMiP – Projektvideo 3

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Arbeitssystem: Demonstrator IFA

Arbeitssystem11.06.2014

Arbeitsraum

Arbeitsmittel

Arbeits-gegenstand

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• Elan Safety Controller– sichere kartesische Nocken– sicher begrenzte kartesische Geschwindigkeit

• Arbeitsplätze einzeln geprüft durch BGHM– MRK

• in Schaumstoff gehüllt• druckempfindliche Sensoren• zusätzliche kapazitiven Sensoren

– Bosch– Tetra Gesellschaft für Sensorik

• nur geringe Kräfte

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Stand der Technik

Stand der Technik / WissenschaftBjörn Ostermann 25

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• Optoelektronische Sensoren– 2D / 3D Kameras

– 2D / 3D Laserscanner

• Ultraschallsensoren

• Taktile / Momenten-Sensoren

• Kapazitive Sensoren

• Radar (Mikrowellen)

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Stand der Wissenschaft

Stand der Technik / WissenschaftBjörn Ostermann 26

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• Übersicht nur bis zum nächsten Objekt

• keine blinden Zonen direkt am Roboter

Erfassungsbereich

Ultraschallsensoren

EindringendesObjekt

Arbeitsplatz

Sensorplatzierung

Allozentrisch• großräumige Übersicht möglich• blinde Zonen zwischen Roboter

und Mensch

Egozentrisch

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Sensoren: Platzierung und Auswahl

Roboter

Blinde Zone

Arbeitsplatz

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Ultraschall• Vorteile

– Robuste Technologie verfügbar– Sichere Sensoren bereits geprüft und zertifiziert– ausreichend kurze Messzeit (<30 ms)

• Nachteile– Totzeit– Aktive Messung: Störung benachbarter Sensoren– nur kürzeste Distanz bis zum ersten gemessenen

Objekt verfügbar– Mögliche Störung durch Umgebungseinflüsse

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Sensorauswahl

Sensoren: Platzierung und AuswahlBjörn Ostermann 29

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Am Roboter• aktueller Demonstrator

mit 18 Ultraschallsensoren

• ¼ des Roboteroberarms abgedeckt

• Redundante Abdeckung des Raums von 17,3 cm bis 83 cm

• Sensorkeulen haben ovalen Schnitt

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Sensoren: Platzierung und AuswahlBjörn Ostermann 30

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Mathematische Vereinfachung

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Sensoren: Platzierung und Auswahl

Seitenansicht

83 cm

17,3 cm

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Festlegen der Eckpunkte

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Algorithmus zur RobotersteuerungBjörn Ostermann 33

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Verlust an Genauigkeit

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Kombinieren von Messbereichen

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Freier Raum mit Dreiecken

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Bestimmen der Geschwindigkeit

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Algorithmus zur Robotersteuerung

AktuellePosition

ZielPosition

nach 10ms

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50%

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Performanz

Erreichte Performanz und Sicherheit11.06.2014

• Pro Sensor, zum Erreichen von 99,9% Genauigkeit– 20 Divisionen (~400 Takte)– 306 Multiplikationen (~918 Takte)– 535 Subtraktionen/Additionen (~1070 Takte)– 180 Vergleiche (kleiner/größer) (~360 Takte)

• Bei 80 Sensoren(komplette Abdeckung des unteren Arms)– ca. 1.319.040 Takte– bei 1,3 GHz 1ms Rechenzeit– stark parallelisierbar (2x 750 MHz, 10x 130 MHz)– bei erkannter Kollision in einem Schritt kann abgebrochen

werden– ein Ergebnis ist nach jedem einzelnen Schritt verfügbar

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Sicherheit nach EN ISO 13849-1

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Erreichte Performanz und Sicherheit

Mittlerer US Sensor

Rand US Sensor 1

Rand US Sensor 2

Rand US Sensor 3

Rand US Sensor 4

Rand US Sensor 5

Rand US Sensor 6

Kat. 3

Teil eines PL d Systems

Teil eines PL d Systems

Sensor Logik Roboter AktorikRoboter Logik

Roboter interne Positionssensoren

Keine Sicherheitim Rahmen dieser Arbeit

(PC)

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Unbedenklichkeit

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Erreichte Performanz und Sicherheit

maximaler 5-Minuten-Terzschalldruckpegel 110 dB

Grenzwert LZpeak = 140 dBgemessen bei 2cm: LZpeak = 135 dB

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Nutzung mit Genehmigung von Daniel Förster.

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These I• Eine

sicherheitsgerichteteÜberwachung eines Arbeitsbereichs mit bekannten Ausmaßen kleiner 5x5m ist mit Sensortechnik ohne Marker möglich.

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ZusammenfassungBjörn Ostermann 43

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These II• Eine Erfassung und

Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend schnellmöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.

Zusammenfassung11.06.2014

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These III• Eine Erfassung und

Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend genaumöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.


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These IV• Mehrere aktive

Sensoren lassen sich zu einem redundanten Array zusammenschalten um eine sichere zweikanalige Auswertung zu ermöglichen. Hierbei wird der notwendige Performance Level „d“nach EN ISO13849-1:2008 erreicht.

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These V• Die in dieser Arbeit

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Sensor-Fusion• Laserscanner mit

großem Sicherheitsabstand für entfernten Armteil

• Geschwindigkeit über Ultraschall kontrolliert, Pfadplanung über Kamera

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AusblickBjörn Ostermann 49

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Sensor-Substitutuion• Einsatz von Radar

– Algorithmen übertragbar

– Schnellere Reaktion

• Probleme– Blinde Zone

undGeringe Auflösungoder

– nur Anzeige von Bewegung

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Sensorkeulen formen• Formung / Umlenkung

der Ultraschallkeulen

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Ende

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