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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Innerhalb der Robotik bzw. insbesondere im Bereich der Servicerobotik und der mobilen Robotik, d.h. auf fahrbaren Plattformen manövrierbare Robotersysteme, bei der die Interaktion zwischen Mensch und Roboter eine wesentliche Rolle spielt, müssen besondere Sicherheitsaspekte betrachtet und Sicherungseinrichtungen vorgesehen werden, um Kollisionen zu vermeiden bzw. diese so geringfügig wie möglich ausfallen zu lassen. Im allgemeinen ist es im industriellen Umfeld üblich, dass sich Roboter in speziellen Zellen mit Schutzeinrichtungen wie etwa Schutzzäunen befinden, die eine räumliche und auch sicherheitstechnische Trennung von Mensch und bewegenden Maschinenteilen gewährleisten. Bei mobilen Robotik-Lösungen und Systemen mit starker Interaktion zwischen Mensch und Roboter kann jedoch eine solche trennende Schutzeinrichtung nicht immer ohne weiteres Verwendung finden. So werden beispielsweise in der Norm DIN EN ISO 10218-1:2009 und in der vorläufigen Norm prEN ISO 10218-2:2008 Betriebsarten vorgeschlagen mit reduzierten Geschwindigkeiten von unter 250mm/s am Werkzeugaufnahmeflansch und am Werkzeugarbeitspunkt, so dass der kollaborierende Mensch im Zweifelsfall aufgrund dieser geringen Geschwindigkeit im Falle einer möglichen Kollision noch Möglichkeiten für ein Ausweichmanöver besitzt. In den BG/BGIA-Empfehlungen für die Gefährdungsbeurteilung nach Maschinenrichtlinie (herausgegeben vom BGIA – Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Ausgabe Oktober 2009, Fassung Februar 2011) werden Beurteilungen bezüglich Kollisionsrisiken zwischen Mensch und Roboter gegeben, damit Verletzungsrisiken innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben. Innerhalb dieser Empfehlungen werden Angaben hinsichtlich gerade noch akzeptabler Klemm- und Quetschkräfte, Stoßkräfte, Druck- und Flächenpressung gegeben, die der menschliche Körper bei Kollisionen widerstehen kann. Um diese Kräfte bzw. Pressungen zu überprüfen bzw. deren Unterschreitung zu gewährleisten, werden Kraftmessgeräte, biofidele Prüfkörper sowie Druckmessgeräte vorgeschlagen. Der wesentliche Nachteil dieser Vorangehensweise ist, dass hierzu eine Reihe von Vorab-Messungen bzw. Berechnungen nötig sind, damit die Auswirkungen im Falle einer Kollision zwischen Mensch und Roboter innerhalb der tolerierbaren Grenzen bleibt. Darüber hinaus stellt eine Reduktion der Geschwindigkeit von unter 250mm/s eine sehr starke Einschränkung der Möglichkeiten dar, die man mit einem üblicherweise weitaus schneller fahrbaren Roboter sonst hätte.
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Weiterhin ist ein Leichtbau-Roboterarm der Firma Universal Robots vom Typ UR5 bekannt, der aufgrund seiner Gehäuseform bzw. seines Gewichts sowie seiner Drehmoment-Begrenzung in den einzelnen Gelenken und seiner maximalen Kraft am Flansch von unter 150 N einen sicheren Betrieb auch ohne trennende Schutzeinrichtung ermöglicht. Zur Ermittlung des Drehmoments der Antriebsachsen ist sowohl der Motorstrom als auch die Auswertung der beiden an An- und Abtriebsseite des Getriebes verbauten Encoder wesentlich, wobei der mechanische Aufbau detailliert in der
WO 00 2007 099 511 A2 offenbart wird.
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Darüber hinaus ist ein weiterer Leichtbau-Roboterarm der Firma Kuka Roboter GmbH vom Typ LBR bzw. der äquivalente Typ LWR III vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt bekannt, der zur Ermittlung des Drehmoments innerhalb der Gelenke spezielle Kraftmomentenmessdose am Getriebeausgang nutzt und damit eine sichere Interaktion von Mensch und Roboter erlaubt.
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Beide zuletzt genannten Leichtbau-Systeme haben den Nachteil, dass entweder zusätzliche Kraft-Momenten-Sensorik verbaut werden muss oder die Geschwindigkeit bzw. die Drehmomente der einzelnen Antriebsachsen von vornherein limitiert werden. Ferner sind beispielsweise aus der
DE 10 2009 051 148 A1 Systeme bekannt, bei denen verschiedene Mischformen unterschiedlich ausgeprägter Interaktion zwischen Mensch und Roboter umgesetzt werden, d.h. entsprechend der jeweiligen Arbeitstätigkeit auf einfache Weise steuerungstechnische Betriebsarten wie Handsteuerung, teleoperierte Führung, Halb-Automatikbetrieb etc. umgeschaltet werden.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2009 018 403 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Manipulators bekannt, welche auf einer nachgiebigen Regelung, insbesondere einer Kraftregelung, einer sog. Führungsachse und der steifen Regelung der restlichen Achsen basiert. Hierbei findet in vorteilhafter Ausgestaltung ein Kraft-Momenten-Sensor Verwendung. Ähnliche Ansätze finden sich in der Dissertation
„Ein Beitrag zur kraftbasierten Mensch-Roboter-Interaktion" von Alexander Winkler, TU Chemnitz, 2006.
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In der
DE 10 320 343 A1 wird ein Verfahren zur überwachten Kooperation zwischen einer Robotereinheit und einem Menschen offenbart, welches die von einer Programmablaufsteuerung initiierten Bewegungsmuster der Robotereinheit aufprägt, wobei die Bewegungsmuster abhängig von der Annäherung des Menschen mit unterschiedlicher Richtung und Geschwindigkeit bzw. Abstand zum Menschen ausgeführt werden. Ergonomie- und Kollisionsüberwachung spielen hierbei eine entscheidende Rolle.
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Die
DE 10 2007 028 390 A1 zeigt eine Prozesssteuerung, System und Verfahren zur automatisierten Anpassung von Prozessparametern wenigstens einer Handhabungsvorrichtung, bei welcher mindestens eine Steuer-/Regeleinrichtung, insbesondere eine Sicherheitssteuerung umfassend, mindestens einen Prozessparameter, beispielsweise die maximale Verfahrgeschwindigkeit der Handhabungsvorrichtung, anhand umgebungs- bzw. sicherheitsspezifischer Vorgaben anpasst.
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Innerhalb der
DE 10 2007 059 481 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereichsüberwachung eines Manipulators gezeigt, welche die Soll-Positionen des Manipulators mit zulässigen Positionsbereichen in Einklang bringen.
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In der
DE 10 2007 060 680 A1 ist ein Verfahren und Einrichtung zur Steuerung eines Manipulators offenbart, welches abhängig von einem vorgegebenen Prozessbereich und entsprechender Detektion des Arbeitspunkts die Manipulatorkraft über eine Steuereinrichtung regelt.
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Die
DE 10 2010 005 708 A1 sieht ein Produktionssystem mit überlappendem Bearbeitungsbereich zwischen Mensch und Roboter vor, welches im wesentlichen eine Steuereinheit umfasst, welche den Roboter in verschiedenen Betriebsmodi mit beispielsweise unterschiedlicher Geschwindigkeit betreiben und zwischen diesen Betriebsmodi umschalten kann, wobei ein Betriebsmodus einen Kooperationsmodus zwischen einem Menschen und einem Roboter repräsentiert.
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Die
US 2009/0171505 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung eines Roboterarms, einen Roboter sowie ein Steuerungsprogramm für einen Roboterarm, wobei eine Steuerung den Roboterarm gemäß einer auftretetenden Interaktion mit dem Menschen derart regelt, dass den Gelenken des Roboterarms unterschiedliche Steifigkeit aufgeprägt wird bzw. Gegensteuerungsmaßnahmen eingeleitet werden, so dass während der Interaktion zwischen dem positions- bzw. bewegungstechnisch überwachten Menschen und dem Roboter ein sicherer Betrieb ermöglich wird.
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Alle genannten Systeme aus dem Stand der Technik weisen den Nachteil auf, dass zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs während einer Kollaboration zwischen einem Menschen und einem Roboter nicht unerhebliche steuerungstechnische Maßnahmen mit in der Regel nur einer mit dem Roboter verbundenen Steuerungseinheit zur Beeinflussung der Bewegungsparameter des Roboters eingeleitet werden und dementsprechend keine einfache hardwarenahe Lösung zur Erlangung eines sicheren Betriebsverhaltens umgesetzt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur sicheren Kollaboration zwischen Mensch und Roboter zu schaffen, welche einen im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstige sowie einfache Integration ermöglicht und dabei mit wenig Aufwand zuverlässig arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen dargelegt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht ein Roboter-System vor, welches anstelle von nur einer Roboter-Steuerung zwei verschiedene Roboter-Steuerungen beinhaltet. Der Roboter ist hierbei ein Roboter aus dem Industriebereich, vorzugsweise ein SCARA-Roboter, da dieser im Vergleich zu Knickarmrobotern eine Anordnung von Achsgelenken aufweist, bei denen zur Überwindung von Graviatationslasten des Arms selbst keine Motorleistung nötig ist, da die Gravitationskomponenten der Robotergelenke hier in der Regel aufgrund der geometrischen Anordung der Gelenke zueinander von den Lagerungen der Gelenke aufgenommen werden und nicht motortechnisch überwunden werden müssen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht hierbei vorteilhafterweise mindestens eine der beiden Roboter-Steuerungen aus einem Verbund an einzelnen Servoachs-Verstärkern, die jeweils einen zugehörigen Servoachs-Motor des Roboters leistungstechnisch versorgen und mit diesem signaltechnisch kommunizieren. Beide Roboter-Steuerungen unterscheiden sich dadurch, dass sie unterschiedlich starke Servoachs-Verstärker aufweisen, d.h. unterschiedliche Leistungen besitzen bzw. die Servoachs-Motoren mit unterschiedlicher Leistung versorgen. Im Normalfall, wenn sich kein Mensch in der Umgebung des Roboters befindet, ist diejenige Roboter-Steuerung aktiv mit dem Roboter verbunden, welche die höhere Leistung aufweist. Diese Roboter-Steuerung ist vorteilhafterweise die standardmäßig mit dem Roboter mitgelieferte Original-Robotersteuerung, die in der Regel für das industrielle Umfeld eine recht große Leistung aufweist, kann jedoch auch aus einer nicht standardmäßigen Anordnung aus vielen einzlenen untereinander verbundenen Servoachs-Verstärkern gebildet werden. Eine zweite Roboter-Steuerung, die weniger Leistung aufweist und in der Regel nicht standardmäßig mit dem Roboter mitgeliefert wird, sondern gemäß der Erfindung aus einem Verbund an einzelnen Servoachs-Verstärkern aufgebaut ist, wird gerade dann aktiv mit dem Roboter verbunden, sobald ein sicherheitstechnisch kritisches Szenario während einer Kollaboration mit dem Menschen entsteht. Der zweite leistungsärmere Roboter-Steuerung besteht also aus Servoachs-Verstärkern, deren Leistungen jeweils schwächer sind als dies in der ersten Roboter-Steuerung der Fall ist. Sowohl die leistungsstärkeren als auch die leistungsärmeren Servoachs-Verstärker der beiden Roboter-Steuerungen weisen eine Stromüberwachungs-Funktionalität auf, d.h. für jede Servoachse wird der aktuelle Strom überwacht und gewährleistet, dass ein maximaler Strom nicht überschritten wird. Sobald ein maximal zulässiger Strom innerhalb der Servoachse überschritten wird, schaltet der Servoachs-Verstärker und damit die Roboter-Steuerung in einen Nothalt um. Da sich der Servoachs-Strom proportional zum erzeugten Antriebsdrehmoment der Achse verhält, ist mit einer Begrenzung eines Stroms automatisch eine Begrenzung des Drehmoments verbunden.
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Genau diese Eigenschaft macht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Nutze, indem hierbei eine leistungsschwächere Roboter-Steuerung mit Servoachs-Verstärkern, deren maximal zulässiger Strom niedriger ausfällt, dementsprechend früher ein Nothalt-Szenario einleiten würde bzw. die Drehmomente der Servoachsen stärker limitiert als eine leistungsstärkere Roboter-Steuerung. Wenn hierbei die Leistung der schwächeren Roboter-Steuerung derart begrenzt wird, dass bei aktiv geschaltenem Roboter bei der Kollaboration mit einem Menschen für diesen keine Gefahr mehr entsteht bei einer möglichen Kollision, kann der Roboter sicherheitstechnisch unkritisch verwendet werden.
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Entscheidend bei der Verkopplung der beiden Roboter-Steuerungen mit dem Roboter ist, dass zuverlässig entsprechend der jeweiligen Anforderung des Umfelds des Roboters die jeweils richtige Roboter-Steuerung mit dem Roboter leistungs- und signaltechnisch verbunden wird. Diese Aufgabe erfüllt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine zusätzliche Sicherheits-Steuerung. Diese Sicherheits-Steuerung ist wiederum mit einem Sicherheits-Sensor verbunden, der das räumliche Umfeld des Roboters absichert. Vorzugsweise ist hier ein Sicherheits-Laserscanner zu verwenden, wobei die zusätzliche Sicherheits-Steuerung aus einer entsprechenden Sicherheits-SPS besteht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie der beigefügten Figur beschrieben.
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Es zeigt 1 eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus mit SCARA-Roboter 10, zwei Roboter-Steuerungen 20 und 30 mit unterschiedlich starken Servoachs-Verstärkern 22 und 32, einer Sicherheits-Steuerung 40 und angeschlossenem Sicherheits-Sensor 50, sowie eine Person 60, die sich im Detektionsbereich 52 des Sicherheits-Sensors 50 befindet.
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Die Servoachs-Verstärker 22 der Roboter-Steuerung 20, vorteilhafterweise eine Original-Robotersteuerung, sind hierbei leistungstechnisch größer dimensioniert (beispielsweise 400W) als die Servoachs-Verstärker 32 (beispielsweise 100W) der Roboter-Steuerung 30. Die Servoachs-Verstärker 22 bzw. die Servoachs-Verstärker 32 können dabei über ein Hochgeschwindigkeits-Glasfasernetz verbunden sein.
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Die Sicherheits-Steuerung 40 ist hierbei einerseits mit der Roboter-Steuerung 20 und andererseits mit der Roboter-Steuerung 30 über die Leitungen 26 bzw. 36 verbunden. Die Sicherheits-Steuerung 40 sorgt dafür, dass jeweils nur eine der beiden Roboter-Steuerungen mit dem Roboter 10 leistungstechnisch und signaltechnisch verkoppelt werden, d.h. dass wahlweise Leitung 24 oder Leitung 34 aktiv wird und den Roboter versorgt bzw. mit diesem kommuniziert.
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Die Auswahl, wann welche Roboter-Steuerung 20 oder 30 mit dem Roboter 10 verbunden wird, trifft die Sicherheits-Steuerung mittels eines weiteren Sicherheits-Sensors 50. Dieser Sicherheits-Sensor 50 kann vorzugsweise ein Sicherheits-Laserscanner sein. Solch ein Sicherheits-Sensor 50 weist einen Detektionsbereich 52 auf, der beispielsweise fächerartig ausgebildet sein kann und in einer Ebene wirkt. Sobald nun ein Mensch 60 in den Kollaborationsbereich tritt bzw. den Detektionsbereich 52 des Roboters 10 betritt, bekommt die Sicherheits-Steuerung 40 eine Meldung. Diese Meldung bewirkt, dass die Sicherheits-Steuerung 40 fortan diejenige Roboter-Steuerung 30 aktiv mit dem Roboter 10 vernetzt, welche die Servoachs-Verstärker 32 der niedrigeren Leistung beinhaltet. Auf diese Art und Weise wird im Falle einer Kollaboration des Menschen mit dem Roboter eine Roboter-Steuerung 30 aktiv, welche niedrigere Leistung aufweist und damit niedrigere maximale Servoachs-Ströme bzw. Drehmomente zulässt. Da die Servoachs-Verstärker 32 gerade so dimensioninert sein sollten, dass ein direkter Kontakt mit dem Menschen bei einer Kollision keine schweren Verletzungen bewirkt, ist diese Vorrichtung dazu geeignet, eine sichere Kollaboration zwischen einem Menschen und einem Roboter zu gewährleisten.
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Neben dem oben genannten Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung dahingehend denkbar, dass die beiden unterschiedlich starken Roboter-Steuerungen 20 und 30 innerhalb einer einigen größeren Roboter-Steuerung integriert sind, d.h. dass diese größere Roboter-Steuerung aus einer Vielzahl von Servoachs-Verstärkern besteht, die sowohl leistungsärmere als auch leistungsstärkere Servoachs-Verstärker umfasst und quasi doppelt bestückt ist. Eine Einhausung der Roboter-Steuerung 20 und der Roboter-Steuerung 30 in einem gemeinsamen Gehäuse, deren einzelne Servoachs-Verstärker 22 und 32 untereinander verbunden sind, ist ferner möglich.
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Weiterhin ist eine Ausführungsform denkbar, die einen Roboter, insbesondere einen SCARA-Roboter umfasst, an dessen Aufnahmeflansch sich eine Neige-Einheit befindet, die ein Kamerasystem trägt, welches beispielsweise in TV-Studios eingesetzt werden könnte. Diese Neige-Einheit bestünde wiederum aus einer Servoachse, welche durch zwei verschieden starke Servoachs-Verstärker angesteuert werden könnte.
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Zusätzlich ist eine Ausführungsform der oben genannten Systeme denkbar, bei welcher sich der Roboter auf einer mobilen Fahrplattform befindet und damit im Raum frei beweglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 002007099511 A2 [0003]
- DE 102009051148 A1 [0005]
- DE 102009018403 A1 [0006]
- DE 10320343 A1 [0007]
- DE 102007028390 A1 [0008]
- DE 102007059481 A1 [0009]
- DE 102007060680 A1 [0010]
- DE 102010005708 A1 [0011]
- US 2009/0171505 A1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN EN ISO 10218-1:2009 [0002]
- Norm prEN ISO 10218-2:2008 [0002]
- Maschinenrichtlinie (herausgegeben vom BGIA – Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Ausgabe Oktober 2009, Fassung Februar 2011) [0002]
- „Ein Beitrag zur kraftbasierten Mensch-Roboter-Interaktion“ von Alexander Winkler, TU Chemnitz, 2006 [0006]
