DE102012015975A1

DE102012015975A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sicherheitssystems für eine Produktionsstation und Sicherheitssystem für eine Produktionsstation

Info

Publication number: DE102012015975A1
Application number: DE201210015975
Authority: DE
Inventors: Klaus Meeners; Viktor Kremer; Ralph Djurevci
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-08-11
Filing date: 2012-08-11
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sicherheitssystems für eine Produktionsstation (10) mit wenigstens einem Roboter (12), bei welchem mittels einer Sensoreinheit (36) am Roboter (12) wirkende Kräfte (40) und/oder Momente gemessen werden, wobei die gemessenen Kräfte (40) und/oder Momente an eine Steuereinrichtung (24) übermittelt werden, mittels welcher die gemessenen Größen (40) mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert (Fmin, Fmax, dFdt max) verglichen werden, wobei der Roboter (12) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis gesteuert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Sicherheitssystem für eine Produktionsstation (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sicherheitssystems für eine Produktionsstation der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Sicherheitssystem für eine Produktionsstation der im Oberbegriff des Patentanspruchs 10 angegebenen Art.
Ein solches Verfahren und Sicherheitssystem sind aus der DE 10 2010 024 188 A1 bekannt. Gemäß dem dort offenbarten Verfahren zum Betreiben eines Sicherheitssystems für eine Produktionsstation mit wenigstens einem Roboter werden mittels einer Sensoreinheit am Roboter wirkende Kräfte und/oder Momente gemessen.
Des Weiteren zeigt die DE 10 2007 063 099 A1 einen Roboter mit mindestens zwei Gelenken und über jeweils mindestens ein Gelenk relativ zueinander bewegliche Teile, wobei mindestens ein Momente erfassender Sensor an mindestens einem der beweglichen Teil angeordnet ist.
Bei einer Vielzahl von Produktionsschritten werden sowohl Roboter als auch Werker gemeinsam eingesetzt, so dass gewisse Teilaufgaben durch einen Roboter und andere Teilaufgaben manuell durchgeführt werden. Dabei ergibt sich häufig das Problem, dass zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Roboters umgeschaltet werden muss, ohne dass die Sicherheit der beteiligten Werker gefährdet wird. Dies erfolgt üblicherweise mit Hilfe eines Zustimmtasters. Durch eine manuelle Betätigung dieses Tasters wird ein Arbeitsraum für einen Werker freigegeben, welcher sich dann sicher in ein Arbeitsfeld des Roboters bewegen kann und entsprechende manuelle Arbeitsumfänge sicher durchführen kann. Dies ist relativ aufwändig und ermöglicht keine fließenden Übergänge zwischen automatisierten und manuellen Arbeitsumfängen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Sicherheitssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem ein sicherer Mischbetrieb bei einer Mensch-Roboter-Kooperation ermöglicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Sicherheitssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur Ermöglichung eines sicheren Mischbetriebs bei einer Mensch-Roboter-Kooperation ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die gemessenen Kräfte und/oder Momente an eine Steuereinrichtung übermittelt werden, mittels welcher die gemessenen Größen mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden, wobei der Roboter in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis gesteuert wird. Dadurch, dass am Roboter wirkende Kräfte und/oder Momente gemessen und an eine zusätzliche Steuereinrichtung übermittelt werden, wird eine redundante Überwachung des Roboters ermöglicht. Durch den Vergleich mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert für die erfassten Kräfte und/oder Momente kann sichergestellt werden, dass ein Werker bei einer entsprechenden Mensch-Roboter-Kooperation, insbesondere bei der Durchführung von gemeinsamen Montagetätigkeiten, in einem gemeinsamen Arbeitsraum mit dem Roboter interagieren kann bzw. Arbeiten durchführen kann, wobei gleichzeitig eine Gefährdung des Werkers durch den Roboter erheblich reduziert bzw. verhindert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, fließende Übergänge zwischen automatisierten und manuellen Arbeitsumfängen zu realisieren, so dass eine besonders flexible und effiziente Durchführung von Arbeitsumfängen ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Steuereinrichtung um eine roboterexterne Steuereinrichtung. Dies bietet den Vorteil einer räumlichen Trennung und Entkopplung zwischen Roboter und Steuereinrichtung. Alternativ kann es sich jedoch auch um eine roboterinterne zusätzliche Steuerung handelt, die autark und von der eigentlichen Robotersteuerung unabhängig ist. Dies spart Platz und vereinfacht den Aufwand für die Mensch-Roboter-Kooperation.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Roboter in einem Handbetriebsmodus betrieben wird, bei welchem eine Bewegung des Roboters durch ein manuelles Aufbringen einer Kraft an dem Roboter gesteuert wird, oder der Roboter in einem Automatikmodus betrieben wird, bei welchem vorgegebene Arbeitsschritte automatisch durch den Roboter durchgeführt werden. Im Handbetriebsmodus ist es möglich, dass ein Werker mit Hilfe des Roboters ein zu bearbeitendes Bauteil aufnimmt und durch eine entsprechende Kraftaufbringung den Roboter als Handhabungshilfe nutzen kann. Dadurch ergibt sich eine besonders intuitive Handhabung bzw. Steuerung des Roboters. Bei Bedarf kann der Roboter in dem Automatikmodus betrieben werden, so dass automatisierte Arbeitsabläufe besonders effizient durch den Roboter durchgeführt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine Bewegung des Roboters im Handbetriebsmodus nur dann ermöglicht, wenn die gemessene Kraft die vorgegebene Minimalkraft oder einer andere vorgegebene Minimalkraft überschreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass der Roboter im Handbetriebsmodus nicht bei einer unbeabsichtigten leichten Berührung des Roboters schon bewegt wird, so dass ein den Roboter bedienender Werker nicht durch unbeabsichtigte Bewegungen des Roboters gefährdet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung eine Bewegung des Roboters im Handbetriebsmodus verhindert, falls die gemessene Kraft eine vorgegebene Maximalkraft überschreitet und/oder ein ermittelter Kraftgradient einen vorgegebenen Kraftgradienten überschreitet. Eine Überschreitung der vorgegebenen Maximalkraft mit einem gleichzeitigen zu großen Kraftanstieg wird somit als Stoß, Aufliegen, Hängen oder dergleichen interpretiert, bei welchen keine Verfahrbewegung bzw. Bewegung des Roboters erfolgt. Beispielsweise ist es denkbar, dass ein Werker während der Bedienung des Roboters im Handbetriebsmodus stolpert und versehentlich gegen den Roboter stößt, wobei in einem solchen Fall verhindert wird, dass eine entsprechend dadurch aufgebrachte Kraft am Roboter in eine Bewegung des Roboters umgesetzt wird. Einer Verletzung des Werkers wird in einem solchen Fall dadurch effektiv vorgebeugt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Bewegung des Roboters durch die Steuereinrichtung erst dann wieder ermöglicht wird, wenn die gemessene Kraft nach der Bewegungsverhinderung die vorgegebene minimale Kraft für eine vorgegebene Zeitdauer unterschreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Roboter im Handbetriebsmodus nicht plötzlich wieder bewegt, falls eine vorher versehentlich aufgebrachte Kraft bzw. Last ruckartig zurückgenommen wird. Dies dient ebenfalls dazu, einen den Roboter bedienenden Werker vor Verletzungen durch ungewollte Bewegungen des Roboters zu schützen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass nach einer Aktivierung des Handbetriebsmodus dieser nach einer vorgegebenen Zeitdauer, insbesondere nach 90 Sekunden, deaktiviert wird, falls währenddessen keine Kraftaufbringung größer als eine vorgegebene minimale Kraft am Roboter gemessen wird. Sollte ein Werker den Handbetriebsmodus während dieser Zeitspanne nicht ändern oder beispielsweise den Arbeitsbereich verlassen, wird dadurch sichergestellt, dass keine Bewegungen des Roboters durch eine Kraftaufbringung möglich sind. Dadurch können beispielsweise Bedienfehler durch weitere Werker verhindert werden, welche erst nach der Aktivierung des Handbetriebsmodus an den Roboter fassen bzw. an diesem eine Kraft aufbringen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Roboter derart gesteuert wird, dass eine betriebsmodusabhängig vorgegebene, maximale Bewegungsgeschwindigkeit durch den Roboter nicht überschritten und ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation nicht durch den Roboter verlassen wird. Zum einen wird durch die Geschwindigkeitsbegrenzung der Bewegungen des Roboters sichergestellt, dass dieser lediglich in Geschwindigkeitsbereichen bewegt werden kann, in welchen eine Gefährdung eines den Roboter bedienenden Werkers im Wesentlichen ausgeschlossen werden kann. Beispielsweise bleibt auch im Automatikmodus noch ausreichend Zeit, dass ein Werker einer Bewegung des Roboters noch ausweichen kann. Des Weiteren dient die Geschwindigkeitsbegrenzung des Roboters dazu, dass Bewegungen des Roboters mittels einer oder mehrerer Überwachungseinrichtungen noch sicher überwacht werden können. Durch die Arbeitsraumbegrenzung des Roboters wird zudem eine sichere Interaktion zwischen dem Roboter und einem Werker sichergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mit einer Mehrzahl von optischen Überwachungseinrichtungen, insbesondere mittels dreier Laserscanner, ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation überwacht und eine Bewegung des Roboters gestoppt wird, falls innerhalb des Arbeitsraums ein unzulässiges Objekt, insbesondere ein Werker, detektiert wird. Somit wird auch bei einer gemeinsamen Durchführung von Arbeiten an einem Bauteil durch einen Werker und den Roboter innerhalb eines zumindest in Teilen gleichen Arbeitsraumes sichergestellt, dass der Werker vor Verletzungen durch den Roboter bewahrt wird. Des Weiteren können dadurch ungewollte Kollisionen des Roboters mit weiteren Objekten innerhalb des Arbeitsraums der Produktionsstation vermieden werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass nach einer Betätigung eines Notausschalters der Roboter deaktiviert wird, wobei eine Reaktivierung des Roboters ausschließlich nach einer autorisierten Bedienereingabe erfolgt. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine Bewegung des Roboters unmittelbar zu stoppen, wobei eine Mehrzahl von Notausschaltern vorgesehen werden können, so dass beispielsweise ein innerhalb der Produktionsstation tätiger Werker den Roboter deaktivieren kann, aber auch andere Personen dazu in der Lage sein können, Bewegungen des Roboters unmittelbar zu stoppen. Dadurch, dass eine Reaktivierung des Roboters ausschließlich nach einer autorisierten Bedienereingabe, beispielsweise durch Eingabe eines entsprechenden Passworts, erfolgen kann, kann sichergestellt werden, dass nach einem Not-Aus des Roboters dieser beispielweise zunächst erst noch einmal überprüft wird, bevor dieser wieder in Betrieb genommen werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Sicherheitssystem für eine Produktionsstation mit wenigstens einem Roboter umfasst eine Sensoreinheit, mittels welcher am Roboter wirkende Kräfte und/oder Momente messbar sind, wobei sich das Sicherheitssystem dadurch auszeichnet, dass die gemessenen Kräfte und/oder Momente von der Sensoreinrichtung an eine Steuereinrichtung übermittelbar sind, mittels welcher die gemessenen Größen mit wenigstens einem vorgebbaren Schwellenwert vergleichbar sind, wobei der Roboter mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis steuerbar ist. Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausführungen des Sicherheitssystems anzusehen, wobei hier insbesondere das Sicherheitssystem Mittel umfasst, mit denen die Verfahrensschritte durchführbar sind.
Auch hier kann es sich um eine roboterexterne oder eine zusätzliche roboterinterne Steuereinrichtung handeln.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine Perspektivansicht auf eine Produktionsstation, innerhalb welcher ein Roboter und ein Werker gemeinsam eine Mehrzahl von Arbeitsschritten durchführen;
2 eine Perspektivansicht auf eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung, welche an dem Roboter befestigbar ist, wobei die Werkzeugbefestigungsvorrichtung eine Sensoreinheit umfasst, mittels welcher am Roboter wirkende Kräfte und/oder Momente messbar sind;
3 eine Perspektivansicht auf zwei Steuereinrichtungen, wobei die untere Steuereinrichtung eine von einem Roboterhersteller bereitgestellte Steuereinrichtung ist, und die obere Steuereinrichtung eine weitere roboterexterne Steuereinrichtung ist, mittels welcher von der Sensoreinheit gemessene Kräfte und/oder Momente ausgewertet werden können;
4 ein Diagramm, in welchem ein am Roboter wirkender Kraftverlauf über der Zeit dargestellt ist; und in
5 drei Diagramme, in welchen für jeweilige Bereiche der in 1 gezeigten Produktionsstation mittels jeweiliger Laserscanner aufgenommene Aufzeichnungen der Produktionsstation gezeigt sind.
Eine Produktionsstation 10, innerhalb welcher ein Roboter 12 und ein Werker 14 gemeinsam eine Mehrzahl von Arbeitsschritten durchführen, ist in einer Perspektivansicht in 1 gezeigt. Bei dem Roboter 12 kann es sich beispielsweise um einen Roboter 12 gemäß der DE 10 2007 063 099 A1 handeln. Vorliegend handelt es sich bei der Produktionsstation 10 um eine in einem Rohbau neben einer Hauptlinie angeordnete Station, innerhalb welcher Trennwandbleche 16 für einen Kraftwagen bearbeitet werden. Die Trennwandbleche 16 werden um Verstärkungspriegel und zusätzliche Bohrungen erweitert. Dies erfolgt durch manuelles Punktschweißen und Stanzen.
Während der gemeinsamen Handhabung bzw. Bearbeitung der Trennbleche 16 wird der Roboter 12 einerseits in einem Handbetriebsmodus betrieben, bei welchem eine Bewegung des Roboters 12 durch ein manuelles Aufbringen einer Kraft an dem Roboter 12 gesteuert wird, und zum anderen wird der Roboter 12 in einem Automatikmodus betrieben, bei welchem vorgegebene Arbeitsschritte automatisch durch den Roboter 12 durchgeführt werden.
In einem ersten Arbeitsschritt wird der Roboter 12 in dem Automatikmodus betrieben, bei welchem dieser zunächst zu einem der Ladungsträger 18, 20 verfährt. Anschließend erfolgt eine Umschaltung des Roboters 12 in den Handbetriebsmodus, wonach der Werker 14 den Roboter als Handhabungshilfe nutzt, um ein Trennwandblech 16 aus einem der Ladungsträger 18, 20 zu entnehmen. Anschließend wird der Roboter 12 wieder im Automatikmodus betrieben, in welchem der Roboter 12 das aufgenommene Trennwandblech 16 auf einer Ablage 22 positioniert. Bei der Ablage 22 kann es sich beispielsweise um eine Werkbank, um einen Tisch oder dergleichen handeln. Danach führt der Werker 14 Punktschweißarbeiten an dem Trennblech 16 durch. Danach dreht der Roboter 12, welcher wiederum im Automatikmodus betrieben wird, das Trennwandblech 16 um 180° und legt dieses wieder auf der Ablage 22 ab. Im Anschluss daran erfolgt eine erneute manuelle Bearbeitung des Trennwandblechs durch den Werker 14 in Form von Punktschweißarbeiten. Im Anschluss daran wird der Roboter 12 wiederum im Automatikmodus betrieben und verfährt das bearbeitete Trennwandblech 16 zu einem der Ladungsträger 18, 20. Schließlich wird der Roboter 12 wieder in den Handbetriebsmodus geschaltet, wonach der Werker 14 den Roboter 12 als Handhabungshilfe nutzt, um das fertig bearbeitete Trennwandblech 16 in einer der Ladungsträger 18, 20 abzulegen.
Vorliegend sind noch zwei Steuereinrichtungen 24, 26 zu erkennen, mittels welchen die Steuerung des Roboters 12 durchgeführt wird. Mittels einer hier nicht dargestellten Sensoreinheit 36 werden während der Durchführung der Verfahrensschritte an dem Roboter 12 wirkende Kräfte und/oder Momente gemessen, wobei die gemessenen Kräfte und/oder Momente zumindest an die roboterexterne Steuereinrichtung 24 übermittelt werden, mittels welcher die gemessenen Größen mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert verglichen werden, wobei der Roboter 12 in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 24 ist hier als roboterexterne Steuerung ausgeführt, sie kann aber auch roboterintern ausgestaltet sein.
In 2 ist eine Werkzeugbefestigungsvorrichtung 30 gemäß der DE 10 2010 024188 A1 gezeigt. Zwischen zwei Flanschplatten 32, 34 der Werkzeugbefestigungsvorrichtung 30 ist eine Sensoreinheit 36 vorgesehen. Eine der Flanschplatten 32, 34 dient dazu, die Werkzeugbefestigungsvorrichtung 30 an dem Roboter 12 zu befestigen. Die andere der beiden Flanschplatten 32, 34 dient dazu, ein Werkzeug an der Werkzeugbefestigungsvorrichtung 30 anzubringen. Im vorliegenden Fall kann es sich bei dem Werkzeug beispielsweise um eine nicht gezeigte Greifvorrichtung handeln, mittels welcher die Trennwandbleche 16 ergriffen werden können. Mittels der Sensoreinheit 36 können somit während des Betriebs des Roboters 12 unmittelbar an dem Roboter 12 wirkende Kräfte und/oder Momente gemessen werden, wobei diese mittels einer Anschlusseinheit 38 an die Steuereinrichtung 24, 26 übertragen werden können.
In 3 sind die Steuereinrichtungen 24, 26 nochmals dargestellt. Bei der Steuereinrichtung 26 handelt es sich um eine herstellerseitig mit dem Roboter 12 mitgelieferte Steuereinrichtung und bei der Steuereinrichtung 24 handelt es sich um eine zusätzliche roboterexterne Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung 24 dient dabei als redundante Steuereinrichtung 24, welche zu einem hier nicht gezeigten Sicherheitssystem für die Produktionsstation 10 gehört. Die Steuereinrichtung 24 steuert den Roboter 12 in Abhängigkeit von den mittels der Sensoreinheit 36 gemessenen Kräften.
Alternativ zu dem Vorsehen einer externen Steuereinrichtung 24 kann es sich auch um eine roboterinterne autarke Sicherheitssteuerung handeln, an welche die Kräfte und Momente übermittelt und dort ausgewertet werden.
In 4 ist in einem Diagramm ein gemessener Kraftverlauf 40 über der Zeit t gezeigt, welcher während der Betätigung des Roboters 12 im Handbetriebsmodus mittels der Sensoreinheit 36 gemessen worden und an die Steuereinrichtung 24 übertragen worden ist. Zum Zeitpunkt t₀ ist der Handbetriebsmodus des Roboters 12 aktiviert worden und zum Zeitpunkt t_e ist der Handbetriebsmodus des Roboters 12 wiederum beendet worden. Eine Bewegung des Roboters 12 wird im Handbetriebsmodus nur dann ermöglicht, wenn die gemessene Kraft 40 eine vorgegebene Minimalkraft F_min überschreitet. Des Weiteren wird eine Bewegung des Roboters 12 im Handbetriebsmodus durch die Steuereinrichtung 24 gestoppt, falls eine aufgebrachte Maximalkraft F_max überschritten wird. Sobald die Überschreitung der Maximalkraft F_max nicht mehr vorliegt, erfolgt durch die Steuereinrichtung 24 eine Bewegungsfreigabe des Roboters 12, so dass dieser wieder durch eine entsprechende Kraftaufbringung des Werkers 14 in gewünschter Weise bewegt werden kann.
Sobald jedoch die Maximalkraft F_max überschritten und gleichzeitig ein vorgegebener Kraftgradient dF / dt max überschritten wird, verhindert die Steuereinrichtung 24 eine Bewegung des Roboters 12 so lange, bis die gemessene Kraft 40 nach der Bewegungsverhinderung die vorgegebene Minimalkraft F_min für eine vorgegebene Zeitdauer Δt₁ unterschreitet. Ein zu hoher Kraftgradient in Kombination mit einer zu hohen Kraft 40 wird von der Steuereinrichtung 24 als unbeabsichtigter Stoß an dem Roboter 12 ausgewertet, welches beispielsweise passieren kann, wenn der Werker 14 stolpert und unbeabsichtigt gegen den Roboter 12 fällt. Dadurch, dass die Bewegung des Roboters 12 in solch einem Fall gestoppt wird, wird sichergestellt, dass keine von dem Werker 14 ungewollten Bewegungen durch den Roboter 12 im Handbetriebsmodus vorgenommen werden. Dadurch, dass eine Bewegung des Roboters 12 nach einem solch erfolgten Stoß erst wieder freigegeben wird, wenn die Minimalkraft F_min für die vorgegebene Zeitdauer Δt₁ unterschritten worden ist, wird sichergestellt, dass sich der Roboter 12 im Handbetriebsmodus nicht wieder bewegt, wenn die aufgebrachte Kraft 40 wieder ruckartig zurückgenommen wird.
Des Weiteren wird der Handbetriebsmodus nach dessen Aktivierung nach einer vorgegebenen Zeitdauer Δt₂ deaktiviert, falls währenddessen keine Kraftaufbringung größer als die vorgegebene Minimalkraft F_min oder eine weitere vorgegebene, nicht näher bezeichnete Minimalkraft an dem Roboter 12 gemessen wird. Die vorgegebene Zeitdauer Δt₂ beträgt vorliegend 90 Sekunden. Nach dem Umschalten in den Handbetriebsmodus steht also ein Zeitfenster von 90 Sekunden zum Führen des Roboters 12 zur Verfügung. Sollte der Werker 12 den Betriebsmodus nicht selber ändern oder beispielsweise den Arbeitsbereich verlassen, wird nach Ablauf des Zeitfensters der Roboter 12 gestoppt, wobei dieser nur durch entsprechend autorisiertes Personal wieder gestartet werden kann.
Des Weiteren wird der Roboter 12 mittels der Steuereinrichtung 24 derart gesteuert, dass eine betriebsmodusabhängig vorgegebene, maximale Bewegungsgeschwindigkeit durch den Roboter 12 nicht überschritten und ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation 10 nicht durch den Roboter 12 verlassen wird. Vorliegend beträgt die maximale Geschwindigkeit des Roboters 12 im Handbetriebsmodus 250 mm pro Sekunde und im Automatikmodus 500 mm pro Sekunde. Die zulässigen Arbeitsräume für den Roboter 12 können sich im Handbetriebsmodus und im Automatikmodus unterscheiden. Beispielsweise kann es im Automatikmodus vorgesehen sein, dass der Bewegungsraum gegenüber dem Bewegungsraum im Handbetriebsmodus eingeschränkt ist, so dass der Werker 14 bei Bewegungen des Roboters 12 im Automatikmodus vor eventuellen Verletzungen geschützt wird.
Des Weiteren sind innerhalb der Produktionsstation 10 eine Mehrzahl von optischen Überwachungseinrichtungen, vorliegend in Form von drei Laserscannern, vorgesehen, mittels welchen ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation 10 überwacht und eine Bewegung des Roboters 12 gestoppt wird, falls innerhalb des Arbeitsraums ein unzulässiges Objekt, insbesondere der Werker 14, detektiert wird. Es sind drei Laserscanner notwendig, um sämtliche Abschattungen, die durch den Roboter 12, die Ladungsträger 18, 20 und weitere Objekte innerhalb der Produktionsstation 10 gegeben sind, zu erfassen.
Mit Hilfe der Laserscanner ist es weiterhin auf einfache Weise möglich, Bedienfehler durch die mit dem Roboter 12 kooperierenden Werker zu vermeiden. Beispielsweise kann, nachdem ein berechtigter Werker 14 den Handbetriebsmodus angewählt hat, einen vorgegebenen Schutzbereich betreten hat, seine Tätigkeit mithilfe des Roboters 12 erledigt hat und den Schutzbereich wieder verlässt, der Roboter 12 sofort in einen ”sicheren Halt” bzw. ”sicheren Stillstand” gebracht werden. Die Detektion, ob der Schutzbereich verletzt bzw. betreten worden ist oder nicht, wird durch die Laserscanner übernommen. Somit könnte der Roboter unmittelbar nach dem Verlassen des Schutzbereiches durch den Werker unabhängig der Sensorik in einen sicheren Stillstand versetzt werden.
In 5 sind in drei Diagrammen jeweilige von den jeweiligen Laserscannern erfasste Abschattungen innerhalb eines jeweiligen Teilbereichs des Arbeitsraums der Produktionsstation 10 dargestellt. Durch eine Überlagerung der durch die Laserscanner aufgenommenen Überschattungen kann eine im Wesentlichen lückenlose Überwachung der Produktionsstation 10 erfolgen.
Um ein unmittelbares Stoppen des Roboters 12 ermöglichen zu können, sind eine Mehrzahl von Notausschaltern innerhalb der Produktionsstation 10 vorgesehen. Wie in 3 zu erkennen, ist ein Notausschalter 42 an der Steuereinrichtung 24 vorgesehen. Weitere nicht näher bezeichnete und gezeigte Notausschalter 42 können beispielsweise an einem Bedienpult und an einer Roboterhand 44 vorgesehen sein. Nach einer Betätigung einer der Notausschalter wird der Roboter 12 also unmittelbar deaktiviert, wobei eine Reaktivierung des Roboters 12 ausschließlich nach einer autorisierten Bedienereingabe, beispielsweise durch Eingabe eines entsprechenden Passwortes, erfolgt.
An der Steuereinrichtung 24 ist des Weiteren ein Schlüsselschalter 46 vorgesehen, mittels welchem unterschiedliche Programme für den Roboter 12 ausgewählt werden können, je nachdem, welche Arbeitsschritte von dem Roboter 12 durchgeführt werden sollen. Der Roboter 12 kann dabei auch zur Durchführung anderer Produktionsaufgaben, beispielsweise an Kabelsatztaschen, Anhängerkupplungen oder dergleichen, verwendet werden, wobei durch eine entsprechende Betätigung des Schlüsselschalters 46 die passende Programmauswahl für den Roboter 12 ausgewählt werden kann. Der Schlüsselschalter 46 umfasst des Weiteren eine Quittierfunktion, so dass eine Person, welche ein anderes Programm auswählt, ihre Eingabe nochmals bestätigen muss. Ein entsprechender Schlüssel zur Betätigung des Schlüsselschalters 46 wird dabei nur autorisiertem Personal zur Verfügung gestellt.
Zur Vermeidung von Verletzungen und Fehlverhalten dadurch, dass dem Werker 14 der jeweilige Betriebszustand des Roboters 12 nicht eindeutig angezeigt wird und somit nicht sicher bekannt ist, werden eine Mehrzahl von hier nicht dargestellten Signallampen und Quittierschalter vorgesehen. Die Signallampen zeigen beispielsweise mittels Dauerleuchten die entsprechend ausgewählte und quittierte Betriebsart an. Mit einem Blinken der jeweiligen Signallampe wird angezeigt, dass am System die Betriebsart geändert wurde und das Quittieren zur Freigabe durch den Werker 14 noch ansteht.
Zur Verhinderung von Quetschgefahren, Stoßgefahren und dergleichen sind innerhalb der Produktionsstation entsprechend abgerundete Radien und Materialstärken gemäß DIN EN ISO 13857 vorgesehen. Des Weiteren können Mindestabstände für den Roboter 12 bzw. an diesem angebrachte Greifeinrichtungen zu weiteren Objekten, wie beispielsweise den Ladungsträgern 18, 20 und dergleichen,. vorgesehen werden, insbesondere gemäß DIN EN ISO 13857, wodurch die Quetschgefahr bzw. Stoßgefahr erheblich reduziert werden kann. Es erfolgt eine Programmierung eines Arbeitsbereichs für den Roboter 12, der ausreichende Abstände sicherstellt. Des Weiteren wird durch die definierten Arbeitsräume sichergestellt, dass Mindestabstände nicht unterschritten werden können.
Ferner können noch hier nicht dargestellte Abdeckungen an der Roboterhand 44 vorgesehen werden, wodurch eine Quetsch- bzw. Stoßgefahr nochmals verringert wird. Entsprechende Hinweisschilder können zudem vorgesehen werden, welche vor hohen Temperaturniveaus warnen, wobei die Abdeckungen an der Roboterhand 44 zusätzlich auch dazu dienen können, einen Werker 14 vor Verbrennungen zu schützen.
Insgesamt wird durch das erläuterte Sicherheitssystem eine Überlappung der Arbeitsbereiche zwischen dem Roboter 12 und dem Werker 14 ermöglicht, wobei gleichzeitig durch eine Auswahl verschiedener Betriebsarten im Automatikbetrieb des Roboters 12 eine besonders hohe Flexibilität gegeben ist. Die Handhabbarkeit von Bauteilen durch den Werker 14 wird verbessert, da er direkten Kontakt zu den zu handhabenden Bauteilen hat und gleichzeitig ist eine besonders intuitive Handhabung und Steuerung des Roboters 12 gegeben. Insgesamt kann auch die Ergonomie verbessert werden, da im Handbetriebsmodus eine jeweilige Kontaktposition des Werkers 14 am zu handhabenden Bauteil ganz einfach angepasst werden kann und dadurch ein Ausgleich verschiedener Körpergrößen der Werker 14 erfolgt, wodurch eine erhebliche Reduzierung von Zwangshaltungen ermöglicht wird. Das hier erläuterte Sicherheitssystem dient allgemein zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation und ist im Wesentlichen universell einsetzbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010024188 A1 [0002, 0030]
DE 102007063099 A1 [0003, 0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 13857 [0043]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sicherheitssystems für eine Produktionsstation (10) mit wenigstens einem Roboter (12), bei welchem mittels einer Sensoreinheit (36) am Roboter (12) wirkende Kräfte (40) und/oder Momente gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Kräfte (40) und/oder Momente an eine Steuereinrichtung (24) übermittelt werden, mittels welcher die gemessenen Größen (40) mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellwert (F_min, F_max, dF / dt max) verglichen werden, wobei der Roboter (12) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (12) in einem Handbetriebsmodus betrieben wird, bei welchem eine Bewegung des Roboters (12) durch ein manuelles Aufbringen einer Kraft an dem Roboter (12) gesteuert wird, oder der Roboter (12) in einem Automatikmodus betrieben wird, bei welchem vorgegebene Arbeitsschritte automatisch durch den Roboter (12) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) eine Bewegung des Roboters (12) im Handbetriebsmodus nur dann ermöglicht, wenn die gemessene Kraft (40) eine vorgegebene Minimalkraft (F_min) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (24) eine Bewegung des Roboters (12) im Handbetriebsmodus verhindert, falls die gemessene Kraft (40) eine vorgegebene Maximalkraft (F_max) überschreitet und/oder ein ermittelter Kraftgradient einen vorgegebenen Kraftgradienten ( dF / dt max) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Roboters (12) durch die Steuereinrichtung (24) erst dann wieder ermöglicht wird, wenn die gemessene Kraft (40) nach der Bewegungsverhinderung die vorgegebene Minimalkraft (F_min) für eine vorgegebene Zeitdauer (Δt₁) unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Aktivierung des Handbetriebsmodus dieser nach einer vorgegebenen Zeitdauer (Δt₂), insbesondere nach 90 Sekunden, deaktiviert wird, falls währenddessen keine Kraftaufbringung größer als die vorgegebene Minimalkraft (F_min) oder eine andere vorgegebene Minimalkraft an dem Roboter (12) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (12) derart gesteuert wird, dass eine betriebsmodusabhängig vorgegebene, maximale Bewegungsgeschwindigkeit durch den Roboter (12) nicht überschritten und ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation (10) nicht durch dem Roboter (12) verlassen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Mehrzahl von optischen Überwachungseinrichtungen, insbesondere mittels drei Laserscannern, ein betriebsmodusabhängig vorgegebener Arbeitsraum innerhalb der Produktionsstation (10) überwacht und eine Bewegung des Roboters (12) gestoppt wird, falls innerhalb des Arbeitsraums ein unzulässiges Objekt, insbesondere ein Werker (14), detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Betätigung eines Notausschalters (42) der Roboter (12) deaktiviert wird, wobei eine Reaktivierung des Roboters (12) ausschließlich nach einer autorisierten Bedienereingabe erfolgt.
Sicherheitssystem für eine Produktionsstation (10) mit wenigstens einem Roboter (12), mit einer Sensoreinheit (36), mittels welcher am Roboter (12) wirkende Kräfte (40) und/oder Momente messbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Kräfte (40) und/oder Momente von der Sensoreinheit (36) an eine Steuereinrichtung (24) übermittelbar sind, mittels welcher die gemessenen Größen (40) mit wenigstens einem vorgebbaren Schwellwert (F_min, F_max, dF / dt max) vergleichbar sind, wobei der Roboter (12) mittels der Steuereinrichtung (24) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis steuerbar ist.