DE10320343A1 - Method for monitored cooperation between robot unit and human operator e.g. for industry, involves impressing movement pattern on to robot during approach to human operator - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen, zur Ausführung von, nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablaufsteuerung gesteuert wird.The Invention relates to a method for monitored cooperation between a robot unit and a human, to perform, handling steps to be carried out according to a predefinable program sequence within one of both the robot unit and human accessible common Workspace, the robot unit from one of the handling steps defining program flow control is controlled.
Im Bereich der industriellen Produktion wird die Wirtschaftlichkeit heutzutage nicht mehr allein durch die Produktivität, sondern in zunehmenden Maße auch durch die Flexibilität der Produktion bestimmt. Der Markt verlangt nach einer bedarfsorientierten Produktion mit geringen Stückzahlen und einer großen Produktvielfalt. Um noch wirtschaftlich produzieren zu können wird von den eingesetzten Maschinen eine immer einfachere und kürzere Einrichtungs- und Umrüstungsprozedur verlangt. Die Maschinen müssen dazu sehr flexibel und anpassbar aber auch einfach und schnell zu programmieren sein. Um die Spezialisierung und somit die Komplexität der Maschinen in Grenzen zu halten, entsteht der große Trend, den Menschen wieder in den Produktionsprozess zu integrieren und so für die nötige Flexibilität zu sorgen.in the The area of industrial production becomes economic nowadays not just by productivity, but by increasingly also through the flexibility of production. The market demands a needs-based Low volume production and a big one Product variety. In order to still be able to produce economically of the machines used an ever simpler and shorter set-up and retrofitting procedure required. The machines have to very flexible and adaptable, but also easy and quick to do be programming. The specialization and thus the complexity of the machines keeping it within limits creates the big trend, people again integrate into the production process and thus provide the necessary flexibility.
Das Ziel ist hierbei, die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu vereinen, um die jeweiligen Schwächen aufzuheben und die jeweiligen Stärken miteinander zu verbinden. Um die sensorischen Fähigkeiten sowie die Flexibilität und Geschicklichkeit des Menschen mit der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Kraft des Roboters zu kombinieren, bedarf es Systeme, welche die noch übliche strikte Trennung von Mensch und Roboter aufheben. Solche OTS-Systeme (Systeme Ohne Trennende Schutzeinrichtung) befinden sich gerade noch auf der Schwelle zwischen Entwicklung und Einsatz, werden aber bald Einzug in den Produktionsalltag finden.The The goal here is the specific skills of humans and robots to unite to remove the respective weaknesses and the respective Strengthen connect with each other. The sensory skills as well as the flexibility and skill of man with the accuracy, speed and power of To combine robots, systems are required which are still strict Remove the separation of humans and robots. Such OTS systems (systems Without a protective device) are just on the threshold between development and deployment, but will soon Find a way into everyday production.
Die europäische Vorschrift DIN EN 775 für Industrieroboter Sicherheit enthält eine Anleitung für Sicherheitsüberlegungen bei der Gestaltung und dem Betrieb von Robotersystemen. Wesentlich hierbei sind die Definitionen für Schutzeinrichtungen, welche in trennende und berührungslos trennende Schutzeinrichtungen unterteilt werden.The European Regulation DIN EN 775 for Industrial robot contains security a guide for security considerations in the design and operation of robot systems. Essential here are the definitions for Protective devices which are divided into separating and non-contact separating protective devices become.
Durch diese Systeme wird der Zugang von Personen zum Arbeitsraum des laufenden Roboters verhindert. Eine offene Verriegelung oder eine betätigte berührungslose Schutzeinrichtung bewirken den sofortigen Stop des Roboters und der restlichen Anlage. Eine Interaktion zwischen Mensch und Roboter im Betrieb findet nur in speziell abgesicherten Bereichen statt. Meistens sind dies Einlege- und Ausladestationen zu Zwecken des Materialflusses.By these systems will give people access to the work space of the current Robot prevented. An open lock or a non-contact actuated Protective devices cause the robot and the rest of the facility. An interaction between humans and robots in operation only takes place in specially secured areas. Mostly these are loading and unloading stations for the purpose of Material flow.
Die spezifischen Fähigkeiten vom Menschen sowie vom Roboter sind in der üblichen Aufteilung von manueller und automatischer Produktion deutlich zu erkennen. Der Roboter hat den Menschen vor allem dort verdrängt, wo seine hohe Produktivität eingesetzt werden kann. Ebenso in Bereichen, in denen eine hohe Positioniergenauigkeit gefragt ist oder schwere oder heiße Teile gehandhabt werden müssen, hat der Roboter sein Einsatzgebiet gefunden. Und dennoch findet man viele Bereiche, in denen, trotz moderner und billiger Robotertechnik, die Produktionsabläufe manuell erfolgen. Gerade bei kleinen Stückzahlen, hoher Produktvielfalt, Variantenreichtum, kleinen Losgrößen und in Fällen in denen im Allgemeinen eine hohe Flexibilität verlangt wird, lohnt sich der Aufwand einer Automatisierung oft nicht. Selbst wenn es gilt komplexe Bauteile handzuhaben oder wenn Fügevorgänge sehr toleranzbehaftet und schwierig durchzuführen sind, ist eine manuelle Produktion gegenüber kostenintensiver Robotertechnik vorzuziehen. So vermag es der Mensch intelligent auf Störungen der Anlage zu reagieren und diese oft selbst und schnell zu beheben. Eine Störung in der automatischen Produktion führt hingegen zumeist zum Stilllegen der gesamten Anlage, was mit langen Ausfallzeiten und hohen Kosten verbunden ist.The specific skills of humans as well as robots are in the usual division of manual and automatic production clearly recognizable. The robot has displaces people wherever high productivity is used can be. Likewise in areas where there is high positioning accuracy or heavy or hot parts are handled have to, the robot has found its area of application. And still finds many areas in which, despite modern and cheap robot technology, the production processes done manually. Especially with small quantities, high product variety, rich variety, small lot sizes and in cases in which a high level of flexibility is generally required is worthwhile the effort of automation is often not. Even if it applies to handle complex components or when joining processes are very tolerant and difficult to perform manual production compared to cost-intensive robot technology preferable. So man can intelligently respond to disturbances of the Plant to react and often fix it yourself quickly. A disturbance in automatic production, on the other hand, usually leads to shutdown of the entire plant, resulting in long downtimes and high costs connected is.
Stellt man die Vor- und Nachteile von Mensch und Roboter gegenüber lässt sich feststellen, dass für jeden Nachteil des einen ein entsprechender Vorteil beim Kooperationspartner zu finden ist.provides one can see the advantages and disadvantages of humans and robots find that for everyone Disadvantage of a corresponding advantage with the cooperation partner can be found.
Bei einer optimalen Kooperation zwischen Mensch und Roboter könnten grundsätzlich die jeweiligen Nachteile kompensiert und die jeweiligen Vorteile kombiniert werden. In dem Bereich der OTS-Systeme gibt es verschiedene Entwicklungen, die auf die eine oder andere Art versuchen, die Fähigkeiten von Mensch und Roboter zu vereinen. Einige davon finden Ihre Anwendung auch im Bereich der Montagetechnik.at an optimal cooperation between humans and robots could in principle compensated for the respective disadvantages and combined the respective advantages become. There are various developments in the field of OTS systems, who in one way or another try the skills to unite humans and robots. Some of them are used also in the field of assembly technology.
Die von Colgate und Peshkin [J. Edward Colgate and Michael Peshkin. Cobots work with people. IEEE Robotics & Automation Magazine, 3, December 1996] entwickelten Cobots sowie die von Forcinio [4] beschriebenen IADs (Intelligent Assisted Devices) sind Roboter, die zu einer direkten Kooperation mit dem Menschen in einem gemeinsamen Arbeitsbereich dienen sollen. Sie führen aber keine selbstständigen Bewegungen aus sondern geben dem Bediener eine feste Führungsrichtung vor bzw. bieten ihm zusätzlich noch eine Kraftverstärkung an. Eine andere Form der Kooperation untersucht Wörn [6] mit dem KAMRO (Karlsruhe Autonomous Mobile Robot) und einem Multiagentensystem zum dynamischen Schalten zwischen autonomen und kooperierenden Operationen. Der KAMRO bearbeitet normalerweise vollautomatisch Pick&Place-Aufgaben. Wenn er unter bestimmten Bedingungen seine Aufgabe nicht mehr autonom lösen kann, schaltet er in den semiautomatischen Modus und kann sich so vom Menschen helfen lassen. Der Mensch kann ihn dann über Kraftrückkopplung führen während der KAMRO beispielsweise das Gewicht kompensiert. Bei diesem System handelt es sich um einen mobilen Roboter, der hauptsächlich dazu ausgelegt ist, Aufgaben autonom zu erledigen und erst im Problemfall den Menschen zur Hilfe hinzuzieht.The by Colgate and Peshkin [J. Edward Colgate and Michael Peshkin. Cobots work with people. IEEE Robotics & Automation Magazine, 3, December 1996] developed cobots as well as those described by Forcinio [4] IADs (Intelligent Assisted Devices) are robots that lead to a direct Cooperation with people in a common work area should serve. You lead but not self-employed Movements instead give the operator a fixed direction of guidance before or offer him additional another power boost on. Wörn [6] is also investigating another form of cooperation the KAMRO (Karlsruhe Autonomous Mobile Robot) and a multi-agent system for dynamic switching between autonomous and cooperative operations. The KAMRO usually processes pick & place tasks fully automatically. When he is no longer autonomous under certain conditions can solve it switches to semi-automatic mode and can switch from Let people help. Human beings can then use force feedback to lead while the KAMRO, for example, compensates for the weight. With this system is a mobile robot that mainly does this is designed to perform tasks autonomously and only in the event of a problem to help people.
Ein System, welches den gesamten Arbeitsraum eines stationären Roboters überwacht, untersuchen Ebert und Henrich [Dick Ebert and Dominik Henrich, Safe human-robot-cooperation: Problem analysis, system concept and fast sensor fusion, In IEEE Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent Systems, 2001 ]. Der Arbeitsraum des Roboters wird hierbei von Schwarz-Weiß-Kameras erfasst, deren Bilder mittels Rückprojektion und Look-Up-Tabellen verarbeitet werden, wodurch auf eine Roboterkonfigurationen geschlossen werden kann, bei denen Kollisionen auftreten würden. Mit dieser Kenntnis wird eine kollisionsfreie Bahn für den Bewegungsablauf des Roboters generiert. Dieses System soll das sichere Arbeiten von Mensch und Roboter im selben Arbeitsraum ermöglichen, stellt aber keine Ansprüche an die direkte Zusammenarbeit zwischen ihnen.Ebert and Henrich [Dick Ebert and Dominik Henrich, Safe human-robot-cooperation: Problem analysis, system concept and fast sensor fusion, In IEEE Conference on Multisensor Fusion and Integration for Intelligent] are investigating a system that monitors the entire working area of a stationary robot Systems, 2001]. The robot's workspace is captured by black and white cameras, whose images are included rear projection and look-up tables are processed, which allows conclusions to be drawn about a robot configuration in which collisions would occur. With this knowledge, a collision-free path for the movement sequence of the robot is generated. This system is intended to enable people and robots to work safely in the same work area, but does not make any demands on the direct collaboration between them.
Heiligensetzer [Peter Heiligensetzer, Sichere Mensch-Roboter Kooperation für Roboter im niedrigen Traglastbereich, In Dr. Matthias Umbreit, Paul Ross, OTS-Systeme in der Robotik, Roboter Ohne Trennende Schutzeinrichtungen, volume 1. Bayerisches Kompetenznetzwerk für Mechatronik, Herbert Utz Verlag Wissenschaft, 2002] untersucht ein Sicherheitskonzept anhand des Industrieroboters KUKA KR3 für den niedrigen Traglastenbereich. Ein System aus der Kombination eines kapazitiven Näherungsschalters, eines taktilen Flächensensors und der Überwachung der Motorströme kontrolliert die direkte Umgebung des Roboters. Durch dieses Sensorsystem kann die Geschwindigkeit des Roboters vor einem physischen Kontakt mit einem Objekt auf ein Minimalmaß reduziert sowie die maximale Klemmkraft des Roboters auf 400N beschränkt werden, um so eine Verletzungsgefahr vermeiden zu helfen.Heiligensetzer [Peter Heiligensetzer, Safe Human-Robot Cooperation for Robots in the low payload range, In Dr. Matthias Umbreit, Paul Ross, OTS systems in the Robotics, robots without guards, volume 1. Bavarian Competence network for Mechatronics, Herbert Utz Verlag Wissenschaft, 2002] examines a Safety concept based on the KUKA KR3 industrial robot for the low payload range. A system from the combination of a capacitive proximity switch, of a tactile area sensor and surveillance the motor currents controls the immediate surroundings of the robot. Through this sensor system can speed the robot before physical contact reduced to a minimum with an object as well as the maximum Clamping force of the robot can be limited to 400N in order to avoid injury to help avoid.
Die entwickelte flexible Arbeitszelle der Fa. Reis Robotics [T. Morhard, Realisierung eines OTS- Systems bei einem Zulieferer der Kunststoffindustrie, In OTS- Systeme in der Robotik, München, 25. Juni 2002] erlaubt dem Menschen von einer Seite Zugang zu einem gemeinsamen Arbeitsbereich. Die Anwesenheit eines Menschen am Zugang zum gemeinsamen Arbeitsbereich wird durch eine Anmeldeprozedur überwacht. Ist ein Mensch anwesend verfährt der Roboter innerhalb des gemeinsamen Arbeitsbereiches nur noch mit der vorgeschrieben reduzierten Geschwindigkeit von 250 mm/s, welche von einer sicheren Steuerung garantiert wird. Die sehr geringe Verfahrgeschwindigkeit von 250 mm/s im gemeinsamen Arbeitsbereich schränkt den Nutzen der Zusammenarbeit allerdings hauptsächlich auf das Zuführen und Entnehmen von Bauteilen ein. Der Roboter führt somit seine eigentliche Aufgabe meistens fern vom gemeinsamen Arbeitsbereich unter normaler Betriebsgeschwindigkeit aus.The developed flexible work cell from Reis Robotics [T. Morhard, Realization of an OTS system at a supplier to the plastics industry, Allowed in OTS systems in robotics, Munich, June 25, 2002] human access from one side to a common work area. The presence of a person at the entrance to the common work area is monitored by a registration procedure. A person is present the robot within the common work area only at the prescribed reduced speed of 250 mm / s, which is guaranteed by a safe control. The very minor Travel speed of 250 mm / s in the common work area restricts the benefits of cooperation, however, mainly on feeding and Removal of components. The robot thus carries out its actual Task mostly away from the common work area under normal Operating speed off.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von den vorstehend bezeichneten bekannten Robotersystemen gilt es, ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen zur Ausführung von nach einem vorgebbaren Programmablauf durchzuführenden Handhabungsschritten innerhalb eines sowohl von der Robotereinheit als auch vom Menschen zugänglichen, gemeinsamen Arbeitsraumes, wobei die Robotereinheit von einer die Handhabungsschritte definierenden Programmablauf-Steuerung gesteuert wird, derart anzugeben, dass eine gefahrlose Kooperation zwischen Roboter und Mensch insbesondere für den Menschen gefahrlos möglich sein soll, wobei zugleich das Robotersystem in Bezug auf Rentabilität und Produktivität möglichst keine Herabsetzung durch die Gegenwart des Menschen erfahren soll. Selbst wenn die durchschnittliche Verfahrgeschwindigkeit der Robotereinheit gegenüber vollautomatischen Systemen im Durchschnitt unvermeidbar geringer ist, soll es dennoch möglich sein, durch eine verbesserte Integration von Mensch und Maschine eine erhöhte Produktivität des Gesamtsystems zu erreichen. Ferner soll das Verfahren schnell und kostengünstig auch bei bestehenden Robotersystemen implementierbar sein und überdies eine erhöhte Flexibilität in punkto Produktionsumrüstzeiten bieten. Im Bereich der Inbetriebnahme derartiger Systeme bedeutet dies insbesondere, dass die Robotereinheit nicht aufwendiger zu programmieren sein soll, als es mit Standardwerkzeugen des jeweiligen Herstellers möglich ist, wobei der Gestaltung des Arbeitsablaufes wiederum möglichst viele Freiheiten gelassen werden soll. Insbesondere gilt es für den mit der Robotereinheit in Kooperation tretenden Menschen ein sicheres Arbeitsgefühl zu schaffen. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang daher die Arbeitsergonomie, die das Sicherheitsempfinden des Menschen in entscheidendem Maße positiv beeinflussen soll.outgoing of the known robot systems described above, a process to be monitored Cooperation between a robot unit and a human execution of those to be carried out according to a predefinable program sequence Handling steps within both of the robot unit as well as accessible by humans common work space, the robot unit being one of the Program sequence control defining handling steps controlled will indicate in such a way that a safe cooperation between Robots and humans, especially for humans, can be done safely should, at the same time the robot system in terms of profitability and productivity if possible should not experience degradation through the presence of man. Even if the average travel speed of the robot unit across from fully automatic systems inevitably lower on average it should still be possible through improved integration of man and machine an increased productivity of the overall system. Furthermore, the process should be quick and inexpensive can also be implemented in existing robot systems and moreover an increased flexibility in terms of production changeover times Offer. In the area of commissioning such systems means this in particular means that the robot unit does not require more effort should be programmed as it is with standard tools of the respective Manufacturer possible is, the design of the workflow in turn as many as possible Freedoms should be left. In particular, it applies to the with the robot unit in cooperation with people who are safe work feeling to accomplish. Is of particular importance in this context hence the ergonomics of work, the sense of security of people decisively positive should influence.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. Features which advantageously further develop the inventive idea Subject of the subclaims and the description with reference to the exemplary embodiments refer to.
Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich im wesentlichen durch die gezielte Aufprägung eines Bewegungsmusters für die Bewegungskinematik der Robotereinheit wenigstens im Falle einer relativen Annäherung zwischen der Robotereinheit und dem Menschen dergestalt aus, dass das Bewegungsmuster die Bewegungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit sowie den Abstand der Robotereinheit relativ zum Menschen in Abhängigkeit des Menschen bestimmt.The method concept according to the invention for the monitored cooperation between a robot unit and a human being, according to the features of the preamble of claim 1, is essentially characterized by the deliberate embossing of a movement pattern for the movement kinematics of the robot unit, at least in the case of a relative approach between the robot unit and the human being, that the movement pattern the direction of movement, speed of movement and the Ab the robot unit relative to humans was determined depending on humans.
Das jeweilige Bewegungsmuster, das dem Bewegungsverhalten bzw. der Kinematik der Robotereinheit aufgeprägt wird, wird in Abhängigkeit von dem Menschen derart gewählt, dass dem Menschen ein Gefühl an Arbeitssicherheit und Kontrolle über die Robotereinheit vermittelt wird. Das erfindungsgemäße Konzept geht von der Überlegung aus, das Bewegungsverhalten der Robotereinheit dem jeweiligen Menschentypus, der mit der Robotereinheit zusammenarbeitet, anzupassen. Befindet sich beispielsweise eine mit der Robotereinheit ungeübte und vom Naturell her eher vorsichtig und scheu veranlagte Person der Robotereinheit zur Kooperation gegenübergestellt, so gilt es insbesondere das dynamische Annäherungsverhalten der Robotereinheit relativ zur Person mit langsamer Annäherungsgeschwindigkeit, sowie einer nicht unmittelbar, zielgerichtet auf die Person orientierte Bewegungsrichtung und schließlich unter strenger Einhaltung eines vorgebbaren Sicherheitsabstandes vorzunehmen. Handelt es sich hingegen um eine mit der Robotereinheit vertraute, routiniert und geschickt arbeitende Person, so vermag auch eine erhöhte Bewegungsgeschwindigkeit, eine direktere, auf die Person gezielte Annäherungsrichtung sowie ein herabgesetztes Abstandsmaß zwischen Mensch und Roboter eine diesbezügliche Person in ihrem Wohlbefinden während der Kooperation mit der Robotereinheit nicht zu beeinträchtigen.The respective movement patterns, the movement behavior or the kinematics stamped on the robot unit will become dependent chosen by man in such a way that give people a feeling Occupational safety and control over the robot unit is switched. The concept according to the invention works from the consideration the movement behavior of the robot unit to the respective type of person who cooperates with the robot unit. Is located for example, one that is inexperienced with the robot unit and more natural cautiously and shyly compared person to the robot unit for cooperation, the dynamic approach behavior of the robot unit is particularly important relative to the person with slow approach speed, as well one not directly oriented towards the person Direction of movement and finally in strict compliance with a predefinable safety distance make. On the other hand, it is one with the robot unit familiar, experienced and skillful person, so capable also an elevated Movement speed, a more direct, targeted at the person approach direction as well as a reduced distance between human and robot a related one Person in their wellbeing during not to interfere with the cooperation with the robot unit.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen im wesentlichen vier Ebenen zugrunde, die zugleich auch Hierarchie- oder Prioritätsebenen darstellen. Diese werden im einzelnen in einer Reihenfolge abnehmender Priorität nachfolgend wie folgt bezeichnet:
- 1. Programmablauf-Steuerung,
- 2. Ergonomieüberwachung,
- 3. Kollisionsüberwachung,
- 4. Manipulation.
- 1. program sequence control,
- 2. Ergonomics monitoring,
- 3. collision monitoring,
- 4. manipulation.
Der Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Programmablaufsteuerung der Robotereinheit dar, in der die einzelnen Bewegungen und Tätigkeiten des Roboters sowie auch die des in Kooperation mit dem Roboter tretenden Menschen starr abgelegt sind. Da sich der Mensch und die Robotereinheit während der Kooperation ständig annähern, werden Regelalgorithmen über ein Überwachungssystem entwickelt, das festlegt, wie der Roboter auf den jeweiligen Menschen reagieren soll. Die Entwicklung von Regelalgorithmen führen zu einem Bewegungsmuster, das der Kinematik der Robotereinheit, insbesondere im Falle einer relativen Annäherung zum Menschen aufgeprägt wird.The Core of the method according to the invention represents the program sequence control of the robot unit in which the individual movements and activities of the robot as well as that of the robot, which is in cooperation with the robot People are rigidly filed. Because man and the robot unit during the Cooperation constantly approach, control algorithms are about a surveillance system developed that determines how the robot affects each person should react. The development of control algorithms lead to a movement pattern that corresponds to the kinematics of the robot unit, in particular in the case of a relative approximation imprinted on people becomes.
Damit der Mensch während der Kooperation ein Gefühl an Sicherheit und Kontrolle erhält, wird die Bewegung des Roboters nach ergonomischen Gesichtspunkten im Rahmen der Ergonomieüberwachung geregelt.In order to man during a feeling of cooperation security and control, the movement of the robot from an ergonomic point of view as part of ergonomics monitoring regulated.
Besteht hingegen eine drohende Verletzungsgefahr für den Menschen, so wird dies von der Kollisionsüberwachung erkannt, die den maximalen Bremsweg des Roboters berücksichtigt. Falls der Arbeitsablauf in irgend einer Weise gestört werden sollte, muss der Mensch, als oberste Instanz, jederzeit die Möglichkeit haben, auf die Robotereinheit zu reagieren, d.h. die Bewegungen und den Arbeitsablauf des Roboters zu unterbrechen und bei Bedarf zu manipulieren, was der an letztgenannter Stelle in den Prioritätsebenen, der Manipulation, entspricht.Consists however, there is an imminent risk of injury to humans from collision monitoring recognized, which takes into account the maximum braking distance of the robot. If the workflow is disrupted in any way should, as the supreme authority, human beings have the opportunity at all times have to respond to the robot unit, i.e. the movements and interrupt the workflow of the robot and if necessary manipulate what the latter in the priority levels, the manipulation.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere unter Erfüllung zweier Aspekte ausgeprägt, um letztlich den hohen Anforderungen an Sicherheit und Ergonomie zu entsprechen.The inventive method is especially under fulfillment two aspects, ultimately to the high demands on safety and ergonomics correspond to.
Zum einen wird die zulässige Bewegungsgeschwindigkeit der Robotereinheit kontinuierlich bestimmt und geregelt, um die größte Gefährdung, die von der Robotereinheit ausgeht, nämlich ihre kinetische Energie, entsprechend zu reduzieren. Es wird dafür Sorge getragen, dass sich die Robotereinheit dem Menschen gegenüber derart verhält, dass sich der Mensch sicher fühlt und das Gefühl der absoluten Kontrolle über den Roboter zu jedem Zeitpunkt der Kooperation empfindet. So schätzt der Mensch seine eigene Sicherheit in Abhängigkeit des Abstandes zum Roboter, der Verfahrgeschwindigkeit sowie von der Verfahrrichtung des Roboters ein. Basierend auf diesen Kriterien wird in erster Linie die Verfahrgeschwindigkeit des Roboters in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung und dem Abstand zum Menschen angepasst.To the one becomes the permissible Movement speed of the robot unit is continuously determined and regulated to the greatest threat, which emanates from the robot unit, namely its kinetic energy, accordingly to reduce. It will be for that Care was taken that the robot unit is so opposite to humans behave that people feel safe and the feeling absolute control over feels the robot at any point in the cooperation. So he estimates Man his own security depending on the distance to the Robot, the traversing speed and the traversing direction of the robot. Based on these criteria, the first Line the travel speed of the robot depending on adapted to the direction of movement and distance from people.
Auch kann die Verfahrrichtung entsprechend geregelt werden, die sich durch den Winkel zwischen einer virtuellen Geraden durch die Koordinaten des Menschen und der Robotereinheit sowie dem aktuellen Geschwindigkeitsvektor des Roboters ergibt. Zudem ist es vorteilhaft den jeweiligen Abstand zwischen Robotereinheit und Mensch in Abhängigkeit des Verhaltens des Menschen zu regeln.Also the direction of travel can be regulated accordingly through the angle between a virtual straight line through the coordinates of the human and the robot unit as well as the current speed vector of the robot results. It is also advantageous the respective distance between robot unit and human depending on the behavior of the To regulate people.
In einer einfachsten Ausführungsform ist es für einen Menschen möglich, das Bewegungsverhalten bzw. das aufzuprägende Bewegungsmuster der Robotereinheit in drei vorgegebenen, unterschiedlichen Qualitätsstufen, "langsam", "mittel" und "schnell" vorzuwählen, je nach dem, ob der Mensch noch keine Erfahrungen mit dem Umgang des Roboters hat, geringfügige oder aber sehr große Erfahrungen. Mit Hilfe eines den unterschiedlichen Bewegungsmustern zugrundeliegenden Regelalgorithmus, das vorzugsweise auf der Basis eines Fuzzy-geregelten Systems arbeitet, werden dem Menschen angepasste Bewegungscharakeristika der Eigenbewegung der Robotereinheit aufgeprägt.In a simplest embodiment is it for possible a human the movement behavior or the movement pattern to be impressed on the robot unit Preselect in three different quality levels, "slow", "medium" and "fast", each according to whether man has no experience with the handling of the Robot has, minor or very large Experience. With the help of one of the different movement patterns underlying control algorithm, which is preferably based on a Fuzzy-regulated system works, are adapted to people Movement characteristics of the own movement of the robot unit are impressed.
Auf diese Weise kann das Bewegungsmuster individuell auf den Menschen vorab eingestellt werden. Eine erweiterte Verfahrensalternative sieht vor, das Verhalten des Menschen während der Kooperation mit der Robotereinheit zu erfassen, dies erfolgt beispielsweise mit einer optischen Kameraeinheit, so dass auf der Grundlage des aktuellen menschlichen Verhaltens unter Verwendung eines Neuro-Fuzzy-Systems ein individuelles Bewegungsmuster für die Robotereinheit generiert wird. Dies erfolgt durch Vergleich der erfassten Bewegungsinformationen des Menschen mit Kennlinienfelder, um letztlich dem aufzuprägenden Bewegungsmuster zugrundeliegende Regelalgorithmen zu generieren.On this way, the movement pattern can be customized on people can be set in advance. An extended process alternative provides for human behavior during cooperation with the robot unit to be recorded, for example with an optical camera unit, so based on current human behavior an individual movement pattern using a neuro-fuzzy system for the Robot unit is generated. This is done by comparing the recorded movement information of the person with characteristic fields, to ultimately be impressed on Generate control algorithms on which motion patterns are based.
Der zweite Aspekt nach dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt ist, betrifft die zuverlässige Vermeidung von Kollisionen zwischen der Robotereinheit und dem Menschen. Im Rahmen der sogenannten Kollisionsüberwachung werden sich anbahnende Kollisionssituationen erfasst und entsprechend bewertet. Besteht beispielsweise durch die aktuelle Bewegungsdynamik der Robotereinheit sowie der des Menschen eine Gefahr der Kollision zwischen der Robotereinheit mit dem Kopf oder dem Rumpf des Menschen oder besteht überdies die Gefahr des Scherens bzw. Quetschens von jeglichen Körperteilen, insbesondere der Hände und Arme, durch die Robotereinheit, so gilt es, der Robotereinheit eindeutige und scharfe Grenzen zu setzen, die vom maximalen Bremsweg der Robotereinheit sowie der Verzögerungszeit innerhalb des gesamten Systems abhängen, um letztlich die drohenden Kollisionen vollständig zu vermeiden.The second aspect according to which the method according to the invention is designed, concerns reliable avoidance of collisions between the robot unit and humans. in the As part of the so-called collision monitoring are approaching Collision situations recorded and evaluated accordingly. Consists for example through the current movement dynamics of the robot unit as well as that of humans a risk of collision between the robot unit with the head or the trunk of the human being or moreover the risk of shearing or crushing any part of the body, especially the hands and arms, by the robot unit, so it is the robot unit to set clear and sharp limits on the maximum braking distance the robot unit and the delay time within the whole System depend, to ultimately completely avoid the impending collisions.
In diesem Zusammenhang wird die, Position des Menschen innerhalb des Arbeitsbereiches, innerhalb dem auch die Robotereinheit Zugang hat, mit Hilfe eines bestimmten Erfassungssystems, beispielsweise mit Hilfe einer Überwachungskamera oder geeigneter Transpondersysteme, durch die Lage der Hände bzw. Arme sowie des Kopfes und des Rumpfes bestimmt. Insbesondere die Hände sind im Unterschied zu Kopf und Rumpf des Menschen sehr schnell beweglich und können im Rahmen eines sogenannten Reaktionsgreifens mit bis zu 2 m/s einerseits in eine durch Scher- oder Quetschgefahr gekennzeichnete Gefahrenzone gelangen, aber ebenso schnell aus diesem Bereich wieder zurückgezogen werden. Mit Ausnahme der vorstehend bezeichneten Gefahrensituationen gestattet das im Rahmen der Kollisionsüberwachung der Robotereinheit zugrunde gelegte, Bewegungsmuster durchaus „sanfte" Kollisionen zwischen Händen und Robotereinheit, zumal die Hände den Kollisionsstoß gut abfedern können, sofern sich der Stoßimpuls für den Menschen in einem ergonomisch verträglichen Rahmen bewegt.In In this context, the position of man within the Work area within which the robot unit also has access, with the help of a certain recording system, for example with the help a surveillance camera or suitable transponder systems, due to the position of the hands or Arms, head and trunk. especially the Hands are in contrast to the head and trunk of the human being, it moves very quickly and can as part of a so-called reaction gripping at up to 2 m / s on the one hand in a danger zone marked by the risk of shearing or crushing arrive, but withdrawn from this area just as quickly become. With the exception of the dangerous situations described above allows this as part of the collision monitoring of the robot unit the underlying movement patterns are "gentle" collisions between hands and Robot unit, especially the hands the collision shock well can cushion provided the shock pulse for the Moving people in an ergonomically compatible frame.
Anders ist eine Kollision mit den Händen jedoch im Falle des vorstehend erwähnten Quetschens oder Scherens zu werten, in dem eine entsprechende Ausweichmöglichkeit der Hände nicht mehr gegeben ist, weswegen in diesem Fall auf alle Fälle eine Kollision zu verhindern ist. In einem derartigen Fall, gleichsam der Kollision zwischen Robotereinheit und Kopf bzw. Rumpf des Menschen gilt es, die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters im Rahmen der technisch möglichen Grenzen abrupt auf Null zu reduzieren.Different is a collision with your hands however, in the case of the squeezing or shearing mentioned above to be evaluated in which there is no corresponding possibility of avoiding the hands more is given, which is why in this case one Prevent collision. In such a case, as it were the collision between the robot unit and the human head or torso it is important to determine the speed of movement of the robot within the technically possible Abruptly reduce limits to zero.
Während der gesamten Abbremsphase der Robotereinheit wird angenommen, dass sich die Hände, Kopf und Rumpf mit maximaler Geschwindigkeit bewegen könnten. Die Position, in welcher die Robotereinheit letztlich zum Stillstand kommt, sowie die Bremsdauer sind aus der aktuellen Position und Achsgeschwindigkeit der Robotereinheit bestimmbar.During the entire braking phase of the robot unit is assumed to be the hands, head and could move the fuselage at maximum speed. The Position in which the robot unit ultimately comes to a standstill comes, as well as the braking time are from the current position and Axis speed of the robot unit can be determined.
Die Kollisionsüberwachung übernimmt daher die Aufgabe der Überprüfung, ob zum einen die Hände der Gefahr eines Scherens oder Quetschens oder der Kopf bzw. der Rumpf des Menschen der Gefahr eines Stoßes ausgesetzt sind und ob sich diese Körperteile in der Zeit, welche sich aus der Gesamtsystemverzögerung und der Zeit zum Abbremsen aller Achsen zusammensetzt, in den Aktions- bzw. Wirkungsbereich der Robotereinheit gelangen können. Ist dies der Fall, so wird der Roboter solange abgebremst, im Extremfall auf die Geschwindigkeit Null, bis die Gefahr überwunden ist.The Collision monitoring takes over hence the task of checking whether on the one hand the hands of the Risk of shearing or crushing or the head or torso of human beings are at risk of impact and whether these parts of the body in the time resulting from the overall system delay and the time required to brake all axes, in the action or area of effect of the robot unit. is if this is the case, the robot is braked as long, in extreme cases to zero speed until the danger is overcome.
Als letztgeordnete Hierarchiestufe von den insgesamt vier eingangs erwähnten Hierarchie- bzw. Prioritätsebenen, durch die die Kooperation zwischen der Robotereinheit und dem Menschen gesteuert werden, dient die Manipulationsmöglichkeit der Robotereinheit durch den Menschen.As last hierarchical level of the four hierarchies mentioned at the beginning or priority levels, through the cooperation between the robot unit and the human The robot unit can be manipulated by humans.
Der Mensch stellt grundsätzlich die oberste Überwachungsinstanz dar und hat letztlich die Verantwortung über das Geschehen innerhalb des Arbeitsbereiches. Aus diesem Grunde hat der Mensch jederzeit, d.h. im normalen Programmmodus, die Möglichkeit, in den Arbeitsablauf der Robotereinheit einzugreifen und ihn derart zu manipulieren, dass auf jede mögliche Störung entsprechend reagiert werden kann.The Basically, man poses the highest supervisory authority and is ultimately responsible for what happens inside of the work area. For this reason, man always has i.e. in normal program mode, the possibility in the workflow the robot unit to intervene and manipulate it in such a way that on every possible disorder can be reacted accordingly.
So ergeben sich aus einer Analyse sowie Klassifizierung der Fehlverhalten der Robotereinheit, dem Menschen sowie auch der Kooperationsaufgabe selbst unterschiedliche Manipulationsmöglichkeiten. Zum einen kann die Robotereinheit im laufenden Betrieb jederzeit angehalten werden, indem der Mensch die Robotereinheit in den Betriebsmodus „Pause" versetzt. In diesem Betriebs-Mode verharrt die Robotereinheit im sogenannten Standby-Mode in ihrer aktuellen Position und kann durch erneute Aktivierung jederzeit wieder in Gang gesetzt werden.So result from an analysis and classification of the misconduct the robot unit, the human as well as the cooperation task even different manipulation options. For one, can the robot unit can be stopped at any time during operation, by putting the robot unit into the "pause" operating mode. In this Operating mode, the robot unit remains in the so-called standby mode in their current position and can be reactivated at any time be started again.
Bleibt die Robotereinheit an einer ungünstigen Stelle stehen, kann die Robotereinheit aus dem Betriebs-Mode „Pause" durch den Betriebs-Mode „Ausweichen" dazu gezwungen werden, von der aktuellen Position auf eine neutrale Position bspw. außerhalb des gemeinsamen Arbeitsraumes auszuweichen. Während des Betriebsmodus „Pause" ist es u.a. möglich, das jeweils im Einsatz befindliche Prozesswerkzeug an der Robotereinheit manuell zu bedienen, beispielsweise Greifer öffnen oder Greifer schließen, um beispielsweise ein defektes Bauteil auszutauschen. Ebenso kann das Prozesswerkzeug ausgetauscht oder gewechselt werden. Hierdurch können Umrüstzeiten erheblich reduziert werden.Remains the robot unit on an unfavorable Position, the robot unit can be forced out of the "Pause" operating mode by the "Evasion" operating mode to from the current position to a neutral position, for example outside to avoid the common work space. During the "Pause" operating mode it is possible, among other things, that Process tool in use on the robot unit manually operated, for example opening the gripper or closing the gripper in order to for example, to replace a defective component. It can also Process tool can be exchanged or exchanged. This can changeover times be significantly reduced.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die pausierte Bewegung der Robotereinheit jederzeit wieder aufgenommen werden, indem die Robotereinheit durch den Betriebs-Mode „Play" wieder in Aktion versetzt wird. Ist jedoch die Fortsetzung des aktuellen Prozesses unerwünscht, weil beispielsweise das Bauteil anstatt von der Robotereinheit von dem Werker bzw. Menschen schon eingesetzt worden ist oder die Robotereinheit den vorherigen Prozess zu wiederholen hat, kann der Mensch aktuell zwischen einzelnen Prozessen vor- sowie zurückspringen. Falls es jedoch zu einer nicht behebbaren Situation kommen sollte, kann der Arbeitsablauf jederzeit auf den Anfang zurückgesetzt werden, beispielsweise durch den Betriebs-Mode „Reset".How already mentioned above the paused movement of the robot unit can be resumed at any time be in action by the robot unit through the operating mode "Play" is transferred. However, is the continuation of the current process undesirable, because, for example, the component instead of the robot unit from the worker or human has already been used or the robot unit has to repeat previous process, man can currently switch between jump forward and backward of individual processes. If so, however If an unrecoverable situation arises, the workflow can occur at any time reset to the beginning be, for example, by the operating mode "Reset".
Zur Information des Menschen über den jeweiligen Zustand der Robotereinheit ist zudem eine Visualisierung der einzelnen Betriebs-Modii sowie die nächsten, geplanten Arbeitsschritte der Robotereinheit sowie auch seine Erwartungen an die Handlungen des Menschen, wie beispielsweise Arbeitsschritt des Menschen zur Behebung einer Störung, notwendig und vorgesehen, beispielsweise im Wege einer entsprechenden Display-Einheit, die zugleich als Kommunikationsmittel in Form eines Touch-Screens dienen kann.to Human information about the respective state of the robot unit is also a visualization of the individual operating modes and the next, planned work steps the robot unit as well as its expectations of the actions of humans, such as work step of humans for Rectification of a malfunction, necessary and provided, for example by means of a corresponding Display unit, which is also used as a means of communication in the form of a Touch screens can serve.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber an sich bekannten Verfahren zur Kooperation zwischen einem Menschen und einer Robotereinheit auf, die sich insbesondere in Bezug auf die Kriterien Kosten, Zeit und Qualität der Kooperation auswirken.The inventive method has a number of advantages over methods known per se for cooperation between a human and a robot unit on, which in particular with regard to the criteria cost, time and quality cooperation.
So ermöglichst das erfindungsgemäße Verfahren bezüglich der Kosten eine Mensch-Roboter-Kooperation, die eine absolut flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Robotereinheit, die sogenannte angepasste Automatisierung ermöglicht und einen optimalen Kompromiss aus Personal- und Investitionskosten darstellt.. Für die Robotereinheit bedeutet dies, dass die Robotereinheit lediglich Tätigkeiten durchführt, die leicht automatisierbar sind, was wiederum zu vereinfachten Prozesswerkzeugen, einfacher Roboterprogrammierung und Materialbereitstellung führt.So ermöglichst the inventive method in terms of the cost of human-robot cooperation, which is an absolutely flexible division of labor between human and robot unit, the so-called adapted automation enables and optimal Compromise of personnel and investment costs represents .. For the robot unit this means that the robot unit is only doing activities performs, which are easy to automate, which in turn leads to simplified process tools, simple robot programming and material supply.
Aus der gefahrlosen Teilung eines Arbeitsplatzes zwischen Mensch und Robotereinheit ergeben sich darüber hinaus kompaktere Montagelinien, die zu einer erhöhten Kapazitätsdichte führen. Insbesondere in der Automobil-Montage führt dies zu verkürzten Montagelinien und vor allem weniger Taktverlusten aufgrund einer sicherheitstechnischen Trennung zwischen Mensch und Roboter, was ein immenses Einsparungspotential darstellt.Out the safe division of a workplace between people and Robot unit arise over it more compact assembly lines leading to increased capacity density to lead. In automotive assembly in particular, this leads to shortened assembly lines and above all less clock losses due to a safety-related Separation between humans and robots, which represents an immense saving potential.
Ebenso stellt bei hochautomatisierten Roboterzellen das zeitaufwendige Beheben von Störsituationen ein beträchtliches Problem dar. Erst durch die Mensch-Roboter-Kooperation ist es möglich, die Sicherheitsräume zu betreten, ohne dass der Roboter den Automatikmodus zu verlassen hat. Nach Behebung einer entsprechend auftretenden Störung setzt die Robotereinheit ihre Tätigkeit an der gleichen Programmstelle fort, was insgesamt zu einer deutlich höheren Verfügbarkeit führt. Auch führen höhere Umrüstflexibilitäten zu einem entscheidenden Zeitvorteil.As well is the time-consuming process for highly automated robot cells Eliminate malfunctions considerable Problem. It is only through human-robot cooperation that it is possible to enter the security rooms, without the robot having to leave automatic mode. To The robot unit sets an appropriate fault to be rectified their activity continued at the same program point, resulting in a clear overall higher Availability leads. Lead too higher Conversion flexibility to one decisive time advantage.
Bezüglich der Qualitätssicherung ergibt sich die Möglichkeit, jeden Prozess, der eine Qualitätskontrolle verlangt, der Robotereinheit zu übertragen. Ein weiterer Aspekt ist, dass durch die Kooperation und das abwechselnde Bearbeiten eines Produktes eine gegenseitige Kontrolle von Mensch und Roboter stattfindet, aus der eine verbesserte Qualitätskontrolle, vor allem des Menschen, resultiert.With regard to quality assurance, there is the possibility of transferring every process that requires quality control to the robot unit. Another aspect is that through cooperation and that alternating processing of a product a mutual control of humans and robots takes place, which results in improved quality control, especially of humans.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits an einer Versuchsanlage erfolgreich getestet worden, die eine autonome Einheit zur Montage von Baugruppen und kompletten Produkten umfasst, bei der sich Mensch M und Robotereinheit R gegenüberstehen und sich das Montageobjekt W für den Zeitraum der gemeinsamen Bearbeitung stationär in der Mitte zwischen Mensch M und Robotereinheit R befindet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass beide Interaktionspartner, d.h. Mensch und Robotereinheit, uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt haben und sich dennoch frei bewegen können.The inventive method has already been successfully tested on a test facility, which is an autonomous unit for assembling assemblies and complete Products in which human M and robot unit R face each other and the assembly object W for the period of joint work in the middle between people M and robot unit R is located. This ensures that both interaction partners, i.e. Human and robot unit, unrestricted Have access to the assembly object and still move freely can.
Eine derartige Situation ist aus der einzigen Figur in Form einer fotografischen Aufnahme zu entnehmen. Bei der Zusammenarbeit werden die jeweiligen spezifischen Fähigkeiten der Robotereinheit R sowie des Menschen M optimal ausgenutzt. Als Sensorik zur Arbeitsraumüberwachung dient ein Bildverarbeitungssystem, das die Positionsinformationen des Menschen liefert. Über die Robotersteuerung werden die Positions- und Geschwindigkeitsinformationen der Robotereinheit erfasst. Auf Basis dieser Informationen können erfolgreich die Kollisions- und Ergonomieüberwachung durchgeführt werden. Um das Bewegungsverhalten der Robotereinheit zu manipulieren, die Regeleinstellungen durchzuführen und um die Betriebszustände der Robotereinheit erkennen zu können, wird als Mensch-Maschine-Schnittstelle ein Touch-Screen mit entsprechenden Bedienungs- und Meldungsfunktionen in die Anlage integriert, wodurch der Mensch die Funktion der obersten Überwachungsinstanz erhält.A such situation is from the single figure in the form of a photographic Take picture. When working with each other specific skills the robot unit R and the human M are optimally used. As Sensors for workspace monitoring An image processing system serves the position information of man delivers. about the robot controller will get the position and speed information of the robot unit. Based on this information you can be successful collision and ergonomics monitoring carried out become. To manipulate the movement behavior of the robot unit, carry out the rule settings and the operating states to be able to recognize the robot unit, As a human-machine interface, a touch screen with corresponding operating and message functions integrated into the system, which enables people the function of the highest supervisory authority receives.
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