Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Prof. Dr.-Ing. M. Zäh Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart
DER KOLLEGE O G ROBOTER O O – EIN ZUKUNFTSBILD? S MÜNCHEN, Ü 09.11.2014 PROF. DR.-ING. MICHAEL F. ZÄH
© iwb 2014
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Industrieroboter
Folie 3
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Definition von Industrierobotern nach VDI 2860 „Industrieroboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mitit mehreren h Achsen, A h d deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und -wegen bzw. -winkeln frei (d. h. ohne mechanischen Eingriff) programmierbar p g und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen. ausführen “ © iwb 2014
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Folie 4
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Industrieroboter
Stärken und Schwächen von Industrierobotern Stärken •
• • •
•
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Handhaben schwerer, scharfkantiger Bauteile durchführbar Hohe Geschwindigkeit und Ausdauer Hohe Wiederholgenauigkeit Zuverlässiges Durchführen repetitiver und monotoner Tätigkeiten Einsatz in gefährdenden und schmutzigen Umgebungen möglich
Schwächen • • • • •
Störanfällig Starre Abarbeitung der Aufgaben Definierte Bereitstellung notwendig Toleranzbehaftetes Fügen nur mit Hilfsmitteln möglich Handhaben durch Bauteileigenschaften eingeschränkt
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Mensch-Roboter-Kooperation
Stärken und Schwächen des Menschen Stärken • • • • •
Schwächen
Entscheidungsfähigkeit und Kreativität Geschicklichkeit Anpassungsfähigkeit Ortsflexibilität Einfache Magazinierung der Bauteile ist ausreichend
•
• • • •
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Ergonomische Einschränkungen hinsichtlich: • Kraft • Geschwindigkeit • Ausdauer Genaues Positionieren nur über Vorrichtungen Demotivation bei repetitiven und monotonen Tätigkeiten Ermüdung und Leistungsschwankungen Erholungsbedarf
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Mensch-Roboter-Kooperation
Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation zur Kombination der Stärken • Anpassungsfähigkeit • Geschicklichkeit • Entscheidungsfähigkeit
Stärken
• Hohe Geschwindigkeit und Ausdauer • Hohe Wiederholgenauigkeit
50kg
Roboter
Mensch
• Verbesserte Ergonomie • Humanisierung der Arbeit • Leistungserweiterung
Kooperation gemeinsame Verrichtung
Koexistenz parallele Verrichtung
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• Steigerung der • Effizienz • Qualität • Produktivität P d kti ität Folie 8
Mensch-Roboter-Kooperation
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Verbesserungen durch Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation Ergonomische Arbeit • • •
Alterung der Belegschaften Geringe Alterserwerbsquote Rückgang der Anzahl an W ktäti Werktätigen Æ Erhalt der Erwerbsfähigkeit Æ Weiterbeschäftigung leistungsgewandelter g g MA Produktivitätssteigerung • • Æ Æ © iwb 2014
Hoher Kostendruck Hohe Lohnkostendifferenz Wirtschaftliche Assistenz Flexible Automation 26.11.2014
Mensch-Roboter-Kooperation
Quelle: Bertelsmann 2007
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Kooperationsformen – räumlicher Abstand
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Quelle: Helms 2005
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Folie 11
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Mensch-Roboter-Kooperation
Einsatzbereich der Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation in hybriden Montageprozessen
hohe Stückzahlen Einzelstücke
starre Tätigkeiten
Kleinserien Variantenreichtum Prototypen
große Losgrößen Umgang mit Gefahrgütern
formflexible Bauteile Toleranzen
geringe Variantenzahl
h b id Montage hybride M t © iwb 2014
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Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
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Sicherheit in der Kooperation Bedeutung • •
Zwingende Voraussetzung Leistungsbeschränkungen wirken auf Produktivität, Kosten, Einsatz MRK-Systeme
Tetra
Aktueller Stand •
•
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Kollisionen abmildern • Leichtbau • Nachgiebigkeit • Antriebsleistung g • Bremsweg Kollisionen vermeiden • Mitarbeiter • Achsbegrenzung • Lichtzaun, Stereokamera • Sensorfusion
Ferrobotics
Schraft 2005
Lachello 2009
Henrich & Kuhn 2006 Folie 10
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Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
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Sicherheit in der Kooperation Handlungsbedarfe • •
• •
Einsatzfeld: Fließmontage
Begrenzte Traglast Vorprogrammierte Überwachungsbereiche, Schalterfunktion Raumverschwendung Kein Einsatz in dynamischen Umgebungen Herausforderungen
• • •
Laserscan
Erfassung der Mitarbeiter Standardisierung g p und -planung p g Montageprozess Direkte Kooperation
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Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
Si h h it Sicherheitsansätze ät in i der d MRK1 berührend (Koll. mildern) (Koll ohne Sensorik
mit Sensorik
Energieabsorption (passiv)
Kontaktdetektion & -reaktion (aktiv)
Elastische Elemente, P l t Polsterung
KMS, taktile Roboterhaut
berührungslos (Koll. vermeiden) (Koll ohne Marker ortsfeste Sensorik
mitbewegte Sensorik
Lokalisierung
Kontaktprädikation & -reaktion Optoelektronik / Ultraschall
Kameras
¾ Nur kleine Traglasten
¾ Nur kleine Traglasten ¾ Hoher Investitionsaufwand
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1 in Anlehnung an HEINZMANN & ZELINSKY 2003; REINHART & SPILLNER 2010; SONG 2011; CORRALES ET AL. 2011
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mit Markern
¾ Hoher Realisierungsaufwand ¾ Keine NahfeldKooperation
¾ Verdeckung durch EndEffektor
RFID / MotionCapture Anzug Capture-Anzug ¾ Hoher Realisierungsund Organisa Organisationsaufwand
KMS: Kraft-Momenten-Sensor RFID: Radio-Frequency Identification
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Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
Grundlage – Sichere Robotersysteme Sicherer Roboter mit sicherer Peripherie
Sichere Robotersteuerung
• • • • • • • © iwb 2014
redundant überwachte Roboterposition sichere Geschwindigkeit sicherer Stillstand kartesische Sicherheitszonen überwachte Werkzeugorientierung redundante Berechnung Selbstüberwachung 26.11.2014
• •
redundante Achswinkelgeber zusätzliche Absicherung durch Schutzeinrichtungen für den Bearbeiter erforderlich (Laserscanner, Schaltmatten, Lichtschranken kapazitive Lichtschranken, Haut…) Folie 13
Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
Konzeptdetails „KR 5 SI SI“ Sicherheitsfunktionen • •
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Lösbarer Zwischenflansch Schaumstoff-Schutzhülle
Kapazitive Sensorik Taktile Schaltleisten in der Schaumstoffhülle Lösbarer Werkzeug-Zwischenflansch g Schaumstoff-Schutzhülle
• •
Taktile Schaltelemente
Spezifikationen p •
Roboter im niedrigen Traglastbereich (5 kg)
•
Keine Trennung der Arbeitsräume zwischen Mensch und Roboter
•
Direkte Kooperation zwischen Mensch und Roboter realisierbar
p Kapazitive Näherungssensoren
MRK-Systeme © iwb 2014
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Sicherheit bei der Mensch-RoboterKooperation
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Konzeptdetails der „sicheren Robotersteuerung Robotersteuerung“ Sicherheitsfunktionen • • • • •
Sichere Positionsüberwachung Sichere Geschwindigkeit Sicherer Stillstand Kartesische Sicherheitszonen Überwachte Werkzeugorientierung
Zusätzliche Schutzeinrichtungen • •
Laserscanner, Schaltmatten, Lichtschranken Ultraschall- oder Infrarot-Sensoren
Hersteller • • • © iwb 2014
KUKA ABB Reis/Elan 26.11.2014
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Normungslage
Ein nschränku ungen MR RK
Entwicklung der Normsituation ISO 10218:1992*
Vermeide Unfälle durch Trennung von Mensch und Maschine
ISO 10218 10218-1:2008 1:2008
„Sichere Roboter“ durch Anforderungen an den kooperierenden Betrieb
ISO 10218-1:2011 10218 1:2011
Sichere MenschRoboter-Kooperation mit reduzierten Beschränkungen
ISO 10218: Robotersicherheit
* Vorgängerversion DIN EN 775 © iwb 2014
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Weitere Normen: DIN EN ISO 13849, Maschinenrichtlinie 2006/42/EG
Zeit Folie 16
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Normungslage
Gefährdungsanalyse als Befähiger in der MRK Vorgehen • •
•
•
•
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Entwicklung eines Prozessablaufdiagrammes Aufstellen aller Risiken, die während vor und nach dem während, Prozesses auftreten können Bewertung der Gefahr für den Menschen oder andere Gegenstände Ableitung von Maßnahmen zur Verringerung von zu hohen Gefahren Überprüfung der kritischsten Gefährdungen durch z. B. die BG
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Quelle Bild: BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie, Fassung 02/2011
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Gliederung 1. Industrieroboter 2. Mensch-Roboter-Kooperation 3. Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kooperation 4. Normungslage 5 Praxisbeispiele 5. P i b i i l 6. Zusammenfassung
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Praxisbeispiele
Montagearbeitsplatz g p mit Mensch-Roboter-Kooperation p Zielsetzung Entwicklung einer automatisierten Montagezelle mit den Funktionen: • Greifen der Komponenten aus geordneter Bereitstellung • Fügen der Komponenten in einen Grundkörper
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Vorgehensweise •
• • •
Planung des Arbeitsplatzes unter Berücksichtigung aller wichtigen Rahmenbedingungen Aufbau eines Prototyps am iwb Wirtschaftlichkeitsanalyse Überprüfung und Beurteilung der späteren Realisierbarkeit beim Projektpartner
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Praxisbeispiele
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Montagearbeitsplatz mit Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation
Video der Simulation © iwb 2014
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Praxisbeispiele
Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation in Montageanwendungen Zielsetzung •
•
•
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Vorgehensweise
Entwicklung effizienter Methoden zur Instruktion von Industrierobotern Robuste und industrietaugliche Integration von multimodalen Bedienerschnittstellen in industriellen Anwendungen Realisierung einer effizienten Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter in gemeinsamen Montageprozessen
•
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•
•
Einfache Instruktion und Programmierung von Industrierobotern Bewegungs und Bahnplanung Bewegungsunter Berücksichtigung der Position des Menschen Entwicklung von Sicherheitskonzepten zur MenschRoboter-Kooperation Physikalische Interaktion, gemeinsame Handhabung und Montage von Bauteilen
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Praxisbeispiele
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Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation in Montageanwendungen
Video des Montagevorgangs © iwb 2014
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Praxisbeispiele
Ent ickl ng eines speziellen Entwicklung spe iellen Greifers für die MRK Roboterflansch
Smart Camera und Beleuchtung am Greifer
Kollisionsschutz
Schnellwechselsystem KMS-Modul Fingerpositionsmodul
Digitale Kamera/ Smart Camera zwischen den Greiferfingern mit Beleuchtung
FMS-Kraftmesssystem Flächensensormodul („Haut“) Greiferfinger
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Praxisbeispiele
Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation in der Sitzmontage Zielsetzung •
•
•
Entwicklung einer Montagvorrichtung zur Sitzmontage Entlastung des Werkers durch Handhaben der Sitze durch den Roboter Unterstützung des Werkers bei der Einführung der Sitze durch virtuelle Barrieren
Vorgehensweise •
• •
• •
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Analyse von möglichen Fehlern beim manuellen Einsetzen mit einem leichten Sitzmodell Ableitung von Gefährdungen für Mensch und Prozess Entwurf eines Systems zum sicheren Führen des Roboters per Hand Entwicklung einer Greifvorrichtung für die Sitzmontage Optimierung des Prozessablaufes
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Praxisbeispiele
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Mensch-Roboter-Kooperation Mensch Roboter Kooperation in der Sitzmontage
Grobgestaltung unterschiedlicher Anordnungen mit Sitzmodell
Video der teilunterstützten Sitzmontage © iwb 2014
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Zusammenfassung
• •
Mensch-Roboter-Kooperation ist die Zusammenarbeit von Mensch und Roboter zur Kombination der Stärken. Es gibt unterschiedliche Kooperationsformen bzgl. der Raumteilung: • • •
• • • • •
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geteilter Bewegungsraum, geteilter Arbeitsraum,, g direkter physischer Kontakt.
Sicherheit ist die wichtigste Voraussetzung bei Mensch-RoboterKooperationen. Kooperationen Die Normenlage erlaubt eine Mensch-Roboter-Kooperation. Es gibt schon zahlreiche umgesetzte Anwendungen. Aber: Jede Anwendung muss eigens untersucht werden. Es besteht noch reichlicher Forschungsbedarf.
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Kontakt Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh Raum Tel Fax E-Mail:
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