DE102016200455A1

DE102016200455A1 - Sicherheitsvorrichtung und -verfahren zum sicheren Betrieb eines Roboters

Info

Publication number: DE102016200455A1
Application number: DE102016200455.7A
Authority: DE
Inventors: Mohamad Bdiwi
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung werden eine Sicherheitsvorrichtung und ein Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters bereitgestellt. Wenn ein Abstand zwischen dem Roboter und einem potenziellen Kollisionsobjekt kleiner als ein berechneter Bremsweg des Roboters ist und wenn ein berechnetes potenzielles Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist, wird der Roboter stillgesetzt und wenigstens ein im Roboter eingebauter Airbag ausgelöst. Somit wird die Sicherheit des im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Objektes selbst im Kollisionsfall gewährleistet, wodurch eine enge Zusammenarbeit mit dem Roboter, insbesondere eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation (MRK), ermöglicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters sowie ein entsprechendes Sicherheitsverfahren. Ferner betrifft die Erfindung einen industriellen Roboter, mit dem eine derartige Sicherheitsvorrichtung bzw. ein derartiges Sicherheitsverfahren realisiert werden kann.
In der Robotertechnik besteht ein zunehmender Bedarf, dass Menschen (ohne trennende Wände oder Schutzzäune) Hand in Hand mit Robotern zusammenarbeiten. Eine solche direkte "Mensch-Roboter-Kooperation" (MRK) verspricht der Wirtschaft neue Perspektiven hinsichtlich Automation und zudem flexiblere Fertigungsmöglichkeiten. Vor allem lässt sich dadurch der Automationsgrad je nach Aufgabenstellung variabel gestalten.
Um eine direkte MRK gefahrlos zu ermöglichen, sind Aspekte zu berücksichtigen, die bisher keine Rolle spielten, weil sie dank der rigorosen Trennung von Mensch und Roboter ausgeschlossen waren. So gehen von sich schnell bewegenden Industrierobotern aufgrund der Massen von Roboter, Greifer, Werkzeug und Werkstück erhebliche Gefahren für Leib und Leben der in den Arbeitsbereich der Roboter tretenden Personen aus. Das Ausmaß des möglichen Schadens für betroffene Personen erstreckt sich von leichten, üblicherweise reversiblen Verletzungen, wie z. B. Schnittverletzungen und Prellungen, über mittlere, üblicherweise irreversible Verletzungen, wie z. B. Amputationen, bis hin zu schweren bzw. tödlichen Verletzungen.
Die höchsten Sicherheitsanforderungen gelten, wenn Roboter und Mensch eng zusammenarbeiten, wie beim Montieren oder Schweißen, da der Mensch hierbei in der Regel ein eingeengtes Sichtfeld hat. Während der Roboter das Werkstück bewegt oder in die bestmögliche Position dreht, besteht zwischen der jeweiligen Person und verschiedenen Roboterelementen (wie bspw. dem Roboterarm oder dem vom Roboter geführten Werkstück) eine große räumliche Nähe. Dabei kann es zu einem direkten Kontakt zwischen dem Roboter und der Person kommen.
Bei einer Mensch-Roboter-Kollision entstehen die meisten Verletzungen dadurch, dass der Mensch gegen harte, scharfe und sich schnell bewegende Roboterteile stößt. Um derartige Verletzungen zu vermeiden, sind verschiedene Sicherheitssensoren zur sensorischen Überwachung des gesamten Arbeitsbereiches des Roboters entwickelt worden. Werden potenzielle Kollisionsobjekte im Arbeitsbereich erkannt, kann zur Kollisionsvermeidung bzw. Kollisionsfolgenminderung aktiv in die Kinematik des Roboters zur Begrenzung von Leistung und Kraft in Echtzeit eingegriffen werden.
Solche Sicherheitssensoren arbeiten jedoch nicht immer zuverlässig und sind demnach nicht in der Lage, die Gefahr von Mensch-Roboter-Kollisionen völlig auszuschließen. Bei bekannten Sicherheitskonzepten für den kollaborierenden Betrieb werden Sicherheitssensoren nämlich nur dafür eingesetzt, um das potenzielle Kollisionsobjekt im Roboter-Arbeitsbereich sowie den Roboter selbst zu erfassen und daraufhin die Roboterbahn und / oder -geschwindigkeit an das potenzielle Kollisionsobjekt zur Kollisionsvermeidung anzupassen. Solche bekannten Sicherheitskonzepte funktionieren aber nur dann einwandfrei, wenn z. B. eine jeweilige Bedienperson mit einem sehr kleinen und leistungsschwachen Leichtbauroboter (wie einem mobilen Serviceroboter) zusammenarbeitet. Bei industriellen Robotern, die für den Einsatz im industriellen Umfeld (z. B. Automobilfertigung) entworfen sind, stoßen diese bekannten Sicherheitskonzepte jedoch schnell an ihre Grenzen. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass in Bezug auf industrielle Roboter die folgenden drei entscheidenden Einflussfaktoren für das Auftreten einer Kollision und das Schadensausmaß bei einer solchen Kollision bisher weitgehend unberücksichtigt gelassen werden: 1. Masse des Roboters; 2. Geschwindigkeit des Roboters; 3. Art (insbesondere Oberflächenform) der miteinander kollidierenden Roboterteile bzw. -werkzeuge (z. B. scharfe Roboterkante oder -ecke) und Objektteile (z. B. menschlicher Kopf).
Im Konferenzbeitrag "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" von S. Haddadin et al., erschienen in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217–224, wird bereits gelehrt, die Sicherheit des Menschen während der physischen Interaktion mit dem Roboter durch Kollisionsversuche ("Crash-Tests") unter kontrollierten Bedingungen zu bewerten. Aus den in diesem Konferenzbeitrag vorgestellten Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass die Masse und die Geschwindigkeit des Roboters einen hohen Einfluss auf die Schwere der im Kollisionsfall eintretenden Verletzungen des Menschen ausüben. Diesbezüglich wird in mehreren Figuren des Konferenzbeitrages von S. Haddadin et al. die unter Verwendung eines "Hybrid III Crash-Test-Dummies" ermittelte Verletzungsschwere (engl. injury level) bei einer Mensch-Roboter-Kollision dargestellt. Angesichts dieser Ergebnisse bleibt großen und vor allem leistungsstarken industriellen Robotersystemen (mit hohen Traglasten, hohen Geschwindigkeiten und kollisionsgefährlichen Roboterteilen bzw. -werkzeugen) der Einsatz in Mensch-Roboter-Teams infolge der Unfähigkeit bekannter Sicherheitskonzepte zur vollständigen Kollisionsvermeidung bisher aus Sicherheitsgründen verwehrt.
Zwar ist im Kraftfahrzeugbereich der serienmäßige Einsatz von Airbags als Rückhaltevorrichtungen bei Unfällen, um Verletzungen im Bereich des Oberkörpers bzw. Kopfes der Fahrzeuginsassen stark zu reduzieren, schon lange bekannt (vgl. z. B. DE 896 312 B , US 2 649 311 A , DE 101 39 194 B4 ). Allerdings weichen die im Kraftfahrzeugbereich an Airbags gestellten Anforderungen erheblich von denen ab, die in Roboter-Kollaborationsanwendungen zu berücksichtigen sind.
Ein Kraftfahrzeug-Airbag wird erst mit zeitlicher Verzögerung ab einer gewissen Belastung aufgeblasen. Da der Zusammenstoß zwischen den Insassen und Teilen des Fahrzeuginnenraumes, z. B. Lenkrad, erst einige Millisekunden nach dem Unfallaufprall erfolgt, ist eine solche verzögerte Airbag-Auslösung für eine optimale Schutzwirkung und die Vermeidung von durch das Aufblasen des Airbags entstehende Verletzungen vorteilhaft und daher erwünscht. Das Airbag-Steuergerät wird den Gasgenerator des Airbags dabei erst rund 30 Millisekunden vor dem Zusammenstoß mit dem vorschnellenden Körperteil des Insassen zünden, sodass sich der Airbag vollständig aufbläst und somit den jeweiligen Körperteil abfängt. Das vorbeschriebene Aktivierungskonzept für Fahrzeug-Airbags ist jedoch bei MRK-Applikationen, wo die jeweilige Person im Kollisionsfall unmittelbar durch den Roboter getroffen wird, nicht geeignet, um das Schadensausmaß einer Mensch-Roboter-Kollision zu vermindern. Darüber hinaus weist – im Gegensatz zu den glatten Oberflächen des Fahrzeuginnenraumes (insbesondere des Lenkrades) – der Roboter eine Vielzahl äußerst kollisionsgefährlicher Elemente (z. B. Roboterarme mit Spitzen, scharfen Kanten und Scherkanten) auf.
Schließlich dienen Airbags in Kraftfahrzeugen nur dazu, bestimmte Oberflächen des Fahrzeuginnenraumes, wie z. B. Windschutzscheibe, Armaturenbrett oder Lenkrad, im Kollisionsfall abzudecken. Dabei wird angenommen, dass der Zusammenstoß mit dem Körperteil des Fahrzeuginsassen nur in einer Richtung erfolgt, da der Körperteil durch die bei einem frontalen Unfallaufprall auf den Insassen wirkende Trägheitskraft nach vorne geschleudert wird. Folglich besteht die Hauptfunktion eines Kraftfahrzeug-Airbags darin, diese den Insassen bei einem Unfall nach vorne beschleunigende Trägheitskraft so weit wie möglich zu absorbieren und somit den jeweiligen Körperteil vor Kollisionsschäden zu schützen. Im Gegensatz hierzu stellt ein industrieller Roboter ein volldynamisches System mit sehr großen Arbeitsflächen in allen drei Raumrichtungen dar. Ein industrieller Roboter erlaubt dabei mühelos die gesteuerte Bewegung einer Traglast von bis zu 200 kg in einem Arbeitsradius von bis zu 3 m. Eine im Roboter-Arbeitsbereich befindliche Person oder sonstiges Objekt kann daher im Kollisionsfall aus beliebiger Richtung von beliebigen Roboterteilen (ungünstigstenfalls von scharfen Ecken und Spitzen an den Roboterarmen oder -werkzeugen) getroffen werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass aus dem Kraftfahrzeugbereich bekannte Insassenschutzsysteme bedingt durch den speziellen Entwurf und die spezielle Aktivierungsmethode von Kraftfahrzeug-Airbags nicht ohne weiteres auf MRK-Applikationen übertragbar sind.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die vorgenannten Nachteile und Begrenzungen des Standes der Technik zu überwinden und eine Sicherheitsvorrichtung sowie ein Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters bereitzustellen, die in Zukunft die enge Zusammenarbeit mit einem solchen Roboter ermöglichen und die Sicherheit eines im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Objektes (insbesondere einer Person) selbst im Kollisionsfall gewährleisten sollen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sicherheitsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Sicherheitsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen entsprechenden industriellen Roboter zur Verfügung zu stellen, der in der Lage ist, die hohen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in MRK-Systemen zu erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch einen industriellen Roboter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst.
Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters ein Positionserfassungsmittel zum Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes relativ zum Roboter, ein Bremswegberechnungsmittel zum Berechnen des Bremsweges des Roboters bei seinem aktuellen Bewegungszustand, ein Schadensausmaßberechnungsmittel zum Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters eintretenden Kollision zwischen Roboter und Objekt, ein Stillsetzmittel zum Stillsetzen des Roboters, ein Auslösemittel zum Auslösen wenigstens eines im Roboter eingebauten Airbags und ein Steuermittel, das ausgelegt ist, das Stillsetzmittel und das Auslösemittel zu aktivieren, wenn ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand zwischen Roboter und Objekt kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters ist und das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist.
Parallel zur sensorischen Erfassung der relativen Position zwischen dem im Arbeitsbereich befindlichen potenziellen Kollisionsobjekt und dem Roboter werden somit von der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung jederzeit die folgenden zwei Faktoren berechnet und bei der Beurteilung der Kollisionsgefahr berücksichtigt: 1. Bremsweg des Roboters; 2. Schadensausmaß bei einer potenziellen Kollision.
Der Bremsweg des Roboters, d. h. die Wegstrecke, innerhalb derer der Roboter bei einer sofortigen Bremsung zum Stillstand kommen würde, hängt in erster Linie von der zu dissipierenden kinetischen Energie des Roboters ab, die ihrerseits von dessen Geschwindigkeiten, Massen und Trägheitsmomenten abhängt, welche wiederum je nach bewegter Traglast variieren können. Dementsprechend kann der Bremsweg online während des Betriebes auf Basis eines Modells, welches die Dynamik des Robotors, insbesondere in Abhängigkeit von seiner Geschwindigkeit und Traglastmasse, beschreibt, bestimmt werden. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten (über 2 m/s) und der hohen bewegten Traglastmassen (bis zu 200 kg) können bei industriellen Robotern situationsbedingt gefährlich lange Bremswege vorliegen, die nicht unberücksichtigt gelassen werden dürfen. Der Bremsweg ist Teil des Kollisions-Gefahrenbereiches und bildet daher den Mindestabstand, der jederzeit zwischen dem potenziellen Kollisionsobjekt und dem Roboter einzuhalten ist. Unterschreitet der tatsächliche Abstand diesen Mindestabstand so müssen meist sofort entsprechende Notfallmaßnahmen (Stillsetzen des Roboters und Auslösen des betreffenden Airbags) eingeleitet werden, um z. B. eine Kollision des Objektes gegen das harte Gehäuse eines Roboterarmes zu vermeiden.
Allerdings macht es nicht jeder potenzielle Kontakt zwischen einem Roboter und einem in seinem Arbeitsbereich befindlichen Objekt erforderlich, dass etwaige Notfallmaßnahmen zur Kollisionsvermeidung ergriffen werden. Zusätzlich zur Unterschreitung des durch den Bremsweg festgelegten Mindestabstandes wird daher von der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung als zweites Kriterium zur Aktivierung solcher Notfallmaßnahmen gefordert, dass das bei einer potenziellen Kollision eintretende Schadensausmaß einen entsprechenden Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann z. B. ausgeschlossen werden, dass bereits bei kleinsten Berührungen, die weder beim jeweiligen Objekt noch beim Roboter zu relevanten Schäden führen, eine Notabschaltung zum schnellen Stillsetzen des Roboters herbeigeführt wird. Aufgrund der großen beteiligten Masse entstehen bei einer solchen Notabschaltung nämlich zwangsläufig große Kräfte, denen der Roboter nur in wirklichen Notsituationen ausgesetzt werden sollte. Angewandt auf eine Mensch-Roboter-Kollision bedeutet dies, dass Notfallmaßnahmen erst dann aktiviert werden, wenn die (bei unveränderter Roboterbewegung) auf den Menschen einwirkenden Kollisionskräfte zu Schmerzen und insbesondere zu Verletzungen führen würden. Aktuell liegen verschiedene Studien vor, in denen die zulässigen Grenzwerte für den Kontaktfall zwischen Mensch und Roboter ermittelt worden sind. Dabei muss eine Verletzung des Menschen sicher ausgeschlossen werden. Erste Erkenntnisse bezüglich der biomechanischen Grenzwerte für die Kontakte zwischen Mensch und Roboter sind z. B. im Rahmen der technischen Spezifikation ISO/TS 15066 ("Robots and robotic devices – collaborative robots") aufbereitet und lassen sich zur Validierung einer sicheren MRK heranziehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung umfasst das Positionserfassungsmittel wenigstens ein 3D-Kamerasystem, deren Sichtbereich den Arbeitsbereich des Roboters ganz oder teilweise abdeckt. Eine solches Kamerasystem kann wiederum eine elektronische Bildverarbeitungseinrichtung umfassen, die mit zumindest einer Kamera zum Erfassen des Roboter-Arbeitsbereiches gekoppelt ist, um die relative Position des Objektes bezüglich des Roboters zu ermitteln und somit unter Berücksichtigung der beiden vorgeschilderten Faktoren (Bremsweg und potenzielles Schadensausmaß) die Kollisionsgefahr einzuschätzen.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung umfasst das Positionserfassungsmittel am Roboter und / oder am Objekt befindliche Sensoren zur Erfassung der jeweils aktuellen Position des Roboters und / oder des Objektes. Der Abstand zwischen Objekt und Roboter wird somit permanent durch die Sensorik überwacht, um bei Unterschreiten des jeweils geforderten Mindestabstandes (aktueller Bremsweg) den Roboter (unter der weiteren Voraussetzung, dass beim Geschehen eines potenziellen Zusammenstoßes ein vorgegebener Schadensgrenzwert überschritten wird) stillzusetzen.
Weiter bevorzugt sind im Falle eines ein- oder mehrachsig ausgebildeten Roboters die Sensoren jeweils in den Achsgelenken des Roboters integriert. Bei komplexeren Robotern, wie bspw. sechsachsigen Industrierobotern, können somit mittels der Sensoren die Gelenkkoordinaten, insbesondere Gelenkwinkel, und durch zeitliche Ableitung auch die Gelenk(winkel)geschwindigkeiten jederzeit ermittelt werden, um daraus (unter Mitberücksichtigung der Traglastparameter) z. B. den aktuellen Roboter-Bremsweg exakt errechnen zu können.
Für den Fall, dass es sich bei dem Objekt um eine Person handelt, ist weiter bevorzugt, dass die Sensoren an den Gelenken und / oder an weiteren biomechanisch relevanten Stellen der Person angebracht sind. Zur Erfassung von Körpersegmentpositionen im Raum können auch eine Vielzahl sogenannter "Marker" verwendet werden, die an biomechanisch relevanten Positionen, wie der Schulter, der Hand, der Hüfte und der Ferse, der jeweiligen Person befestigt werden. Ein Kamerasystem kann dann für diese "Marker" kontinuierlich über die gesamte Messzeit die dreidimensionalen Raumkoordinaten ermitteln, woraus wiederum der Abstand zwischen Roboter und Person bestimmbar ist.
Weiterhin ist auch bevorzugt, dass wenigstens ein Sensor als kabelloser Trägheitssensor, insbesondere als 3D-Gyroskop, -Beschleunigungsaufnehmer und / oder -Magnetometer, ausgebildet ist. Diese Trägheitssensoren bestehen aus Masseelementen, die bei Verschiebung durch Beschleunigung bzw. Negativbeschleunigung eine Ortsveränderung ausführen. Diese Ortsveränderung wird in verschiedener Weise detektiert bzw. als Signal umgesetzt. Durch Integration der von den Trägheitssensoren gemessenen Beschleunigungen und Drehraten wird laufend die räumliche Bewegung des Roboters und daraus jeweils die aktuelle räumliche Position berechnet.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sensor als ein den Roboter umhüllender kapazitiver Sensor ausgebildet ist. Durch Nutzung einer derartigen Roboterhülle mit kapazitiver Sensorik stehen im Nahbereich des Roboters Informationen über die relative Position des potenziellen Kollisionsobjektes kontinuierlich zur Verfügung.
Überdies ist in einer Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass das Bremswegberechnungsmittel ausgelegt ist, den Bremsweg auf Basis wenigstens eines der folgenden Parameter zu berechnen: Roboterbahn, -masse, -geschwindigkeit sowie andere mechanische Verzögerungsfaktoren. Beispielsweise können Toleranzen, Verschleiß, Erwärmung und dergleichen, die zu verschiedenen Bremskraft- bzw. Bremsmomentverläufen und somit zu unterschiedlichen Bremswegen führen, als andere mechanische Verzögerungsfaktoren im Sinne der Erfindung angesehen werden. Auch kann die Schwerkraft, je nachdem, ob sie zusätzliche Bremskräfte und -momente induziert oder diesen beschleunigend entgegenwirkt, den Bremsweg verkürzen oder verlängern.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall auf das Objekt treffenden Roboterteiles, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Form, Material, Größe, Masse und / oder Geschwindigkeit, zu berechnen. Neben Masse und Geschwindigkeit ist das Erscheinungsbild bzw. die Eigenschaft des kollidierenden Roboterteiles, insbesondere die Größe, Form und Scharfkantigkeit, von wesentlicher Bedeutung für das potenzielle Schadensausmaß (Verletzungsschwere) am Kollisionsobjekt (Person).
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall vom Roboter getroffenen Objektteiles, insbesondere in Abhängigkeit von dessen Empfindlichkeit gegenüber Kollisionen, zu berechnen. Das Schadensausmaßberechnungsmittel kann hierzu bspw. eine Datenbank mit empirisch ermittelten Daten über Beeinträchtigungen eines Menschen (z. B. keine Beeinträchtigung, Schmerzempfinden, Prellung ohne Verletzung der Haut, leichte oberflächliche Hautverletzung, mittelgradige Verletzung der Haut etc.) bei Kollisionen eines Roboterteiles mit einem bestimmten Körperteil (z. B. Kopf, Hals, Brustkorb) enthalten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist schließlich ein industrieller Roboter mit wenigstens einem Airbag, der im deaktivierten zusammengefalteten Zustand in einem Gehäuse des Roboters untergebracht ist und im aktivierten entfalteten Zustand aus dem Gehäuse des Roboters austritt. Erstmals wird somit für einen industriellen Roboter die Verwendung eines im Robotergehäuse integrierten Airbags vorgeschlagen, der sich bei einem möglichen Zusammenstoß mit einem Kollisionsobjekt (insbesondere einer Person) aufbläht und somit die Stärke des Aufpralls und die daraus resultierenden Kollisionsschäden mindert.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung und das erfindungsgemäße Sicherheitsverfahren am Beispiel einer Mensch-Roboter-Interaktion dargestellt sind. Es zeigen:
1 schematisierte Darstellung zur Ermittlung der Relativposition zwischen einer Person und einem industriellen Roboter mittels 3D-Kamerasystem und Sensoren,
2 schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Roboters mit vergrößerter Detailansicht der im Robotergehäuse untergebrachten Airbags,
3 bis 5 zeitliche Abfolge einer Roboterbewegung mit von einer erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung initialisierter Airbag-Auslösung zur Vermeidung einer Mensch-Roboter-Kollision.
Sicherheitsvorrichtung und -verfahren nach der Erfindung können insbesondere in der Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) erfolgreich zum Einsatz kommen. Bei MRK-Applikationen befindet sich in Entsprechung zu 1 eine Person 6 im Arbeitsbereich eines Roboters 1. Der Roboter 1 wird hierbei im Arbeitsbereich entlang einer programmierten Bewegungsbahn mit einer programmierten Geschwindigkeit verfahren. Eine bewegliche Plattform 15 des Roboters 1 ist auf einem Grundgestell 16 derart gelagert, dass sie sich um ihre Mittelachse drehen kann. Ein erster unterer Roboterarm 14a ist um ein erstes horizontales Achsgelenk 9a schwenkbar an der Plattform 15 gelagert. Ein zweiter oberer Roboterarm 14b ist mit seinem einen Ende wiederum schwenkbar am ersten unteren Roboterarm 14a mittels eines zweiten horizontalen Achsgelenkes 9b angelenkt und weist an seinem anderen Ende ein Roboterwerkzeug in Form eines Greifers 13 mit zwei Fingern auf, wobei der Greifer 13 ebenfalls schwenkbar über ein drittes horizontales Achsgelenk 9c am zweiten Roboterarm 14b angelenkt ist.
Der Roboter 1 wird für eine beliebige Kooperationsaufgabe mit einer Person 6 eingesetzt. Eine solche Kooperation findet man bspw. in verketteten Montagelinien, wo ggf. mehrmalige Umläufe zwischen Automatikstationen und Handarbeitsplätzen notwendig sind. So kann bspw., nachdem die von einer Person 6 durchzuführenden manuellen Arbeitsschritte beendet sind, das Werkstück von dem mit dem zweiten Roboterarm 14b verbundenen schematisch dargestellten Greifer 13 erfasst und an eine nachfolgende automatische oder manuelle Bearbeitungsstation übergeben werden. Hierbei werden die Roboterarme 14a, 14b, der Greifer 13 und das vom Greifer 13 gehaltene Werkstück im dreidimensionalen Arbeitsbereich bewegt, sodass die Gefahr der Kollision zwischen dem Roboter 1 bzw. dem Werkstück und der sich im Arbeitsbereich aufhaltenden Person 6 (Werker) besteht.
Bisher schienen nur Leichtbauroboter den strengen Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in einer Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) zu genügen. Um aber auch klassischen Industrierobotern den Einsatz im kollaborierenden Betrieb zu ermöglichen, stellt die Erfindung eine entsprechende Sicherheitsvorrichtung und ein entsprechendes Sicherheitsverfahren bereit, die die bei solchen Industrierobotern vorliegenden hohen Geschwindigkeiten und Traglasten berücksichtigen.
Damit industrielle Roboter mit Menschen zusammenarbeiten können, ist zunächst eine sichere Überwachung des Roboters 1 und der Roboterumgebung in Echtzeit erforderlich. 1 zeigt die in einer MRK-Applikation eingesetzte Sensorik zur Ermittlung der Relativposition zwischen einer im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Person 6 und dem Roboter 1. Eine lückenlose dreidimensionale Überwachung des Roboter-Arbeitsbereiches wird hierbei durch ein 3D-Kamerasystem 2 erreicht, das vertikal oberhalb des zu überwachenden Roboter-Arbeitsbereiches befestigt ist und mit seinem Sichtbereich den Roboter-Arbeitsbereich vollständig abdeckt.
Neben dem vorgeschilderten 3D-Kamerasystem 2 verfügen Roboter 1 und Person 6 zusätzlich über weitere Sensoren 3, 4, 5, um ihre jeweilige Position und Lage im Raum sowie ihre Bewegungen innerhalb des Raumes kontinuierlich zu ermitteln. Vorzugsweise werden hierzu kabellose Trägheitssensoren 3, 5 (z. B. 3D-Gyroskope, -Beschleunigungsaufnehmer, -Magnetometer) an den Achsgelenken 9a, 9b, 9c des Roboters 1 sowie an den Gelenken und weiteren biomechanisch relevanten Stellen der jeweiligen Person 6 angebracht. Solche Trägheitssensoren 3, 5 sind als integrierte Bauelemente kommerziell erhältlich, wobei deren Abmessungen nur einige Millimeter oder Zentimeter betragen. Geeignete Beschleunigungssensoren werden bspw. bereits bei Kraftfahrzeugen eingesetzt, um anhand der erfassten Beschleunigungen, die beispielsweise bei einem Unfall auftreten, einen Airbag auszulösen. In diesen Fällen dient die erfasste Beschleunigung allerdings selbst als Messgröße, wohingegen die vorliegende Erfindung eine Bewegungsbahn und eine Bewegungsgeschwindigkeit anhand der erfassten Beschleunigung bestimmt. Als zusätzlicher Sensor ist gemäß 1 ein den Roboter 1 umhüllender kapazitiver Sensor 4 vorgesehen, der dazu dient den Nahbereich des Roboters 1 kontinuierlich zu überwachen und die Relativposition eines in diesen Nahbereich geratenen Kollisionsobjektes (Person 6) zu ermitteln.
Es ist bereits bekannt, an Robotern tastsensitive Hüllen vorzusehen, um bei Berührung eine Notabschaltung in einem gewissen Sicherheitsabstand zu realisieren. Jedoch ist eine taktile Sicherheitssensorik allein noch nicht ausreichend, um eine sichere Zusammenarbeit von Mensch und Roboter in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander zu ermöglichen. Insbesondere ist eine solche taktile Sicherheitssensorik nicht dazu geeignet, bei industriellen Robotern als alleiniges Sicherheitsmittel eingesetzt zu werden, da hier die grundsätzliche Problematik besteht, dass eine bevorstehende Kollision frühzeitig erkannt werden muss. Industrielle Roboter werden nämlich aufgrund ihrer hohen Massenträgheit immer nur mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung zum Stillstand kommen.
Deshalb wird in der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung von einem Bremswegberechnungsmittel Gebrauch macht, das einen dem jeweils aktuellen Bewegungszustand des Roboters 1 zugehörigen Bremsweg berechnet. Diese Berechnung des Bremsweges erfolgt zumindest unter Berücksichtigung der Roboterbahn, der Robotermasse und der Robotergeschwindigkeit. Roboterbahn und Robotergeschwindigkeit können aus den an den Achsgelenken 9a, 9b, 9c von den Sensoren 3 aufgenommenen Gelenk(winkel)positionen und Gelenk(winkel)geschwindigkeiten ermittelt werden. Massen und Abmessungen der einzelnen beweglichen Roboterteile sind in einer Datenbank gespeichert, auf die das Bremswegberechnungsmittel auswählend zugreifen kann.
Der berechnete Bremsweg wird dabei erfindungsgemäß als sicherheitstechnisch zulässiger Mindestabstand zwischen dem Roboter 1 und dem potenziellen Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) festgelegt. Anhand des derart berechneten Bremsweges und anhand des aus der Positionserfassung gemäß 1 bestimmten aktuellen Abstandes d des Roboters 1 zum Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) wird ermittelt, ob dieser Abstand d noch für eine ausreichende Schadensreduzierung durch eine Bremsung erreicht werden kann. Übersteigt der aktuelle Bremsweg den detektierten Abstand d zwischen Roboter 1 und potenziellem Kollisionsobjekt 6, kann ein sofortiges Stillsetzen (Nothalt) des Roboters 1 eingeleitet werden, um eine Kollision zu vermeiden bzw. deren Folgen zu mindern. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bereits bei einer Annäherung des Roboter-Mensch-Abstandes d an den berechneten Bremsweg eine Geschwindigkeitsreduzierung des Roboters 1 vorgenommen wird, um den Bremsweg bei einem nachfolgenden Stillsetzen des Roboters 1 weiter zu reduzieren und somit eine Kollision vorausschauend zu vermeiden.
Allerdings hat der Erfinder erkannt, dass nicht jeder noch so triviale Kontakt zwischen Roboter 1 und Kollisionsobjekt (z. B. Person 6) das Auslösen eines sofortigen Nothaltes des Roboters 1 erforderlich macht. Ein sicherheitsgerichteter Nothalt belastet aufgrund der dabei generierten impulsartigen Kräfte die Tragstruktur des Roboters 1 und führt mitunter zu erheblichen Produktionsstörungen, da zusätzlich zum Zeitverlust durch das Wiederanfahren des Roboters 1 nach dem Nothalt auch das Werkstück unbrauchbar wird oder zumindest nachbearbeitet werden muss. Daher soll ein Nothalt nur eingeleitet werden, wenn das durch einen solchen Nothalt verhinderte potenzielle Schadensausmaß ein nicht tolerierbares Ausmaß überschreitet.
Mit der Sicherheitsvorrichtung und dem Sicherheitsverfahren nach der Erfindung wird daher ermöglicht, bei der Bewegung des Roboters 1 das Gefährdungspotential von in der Bewegungsbahn als Hindernis erkannten Objekten 6 zu gewichten. Erfindungsgemäß wird eine solche Gewichtung dadurch erreicht, dass der sich aus der sensorischen Überwachung des Roboters 1 und des Roboter-Arbeitsbereiches ergebende Bewegungsablauf des Roboters 1 und der Person 6 nicht nur zur Berechnung des Bremsweges, sondern auch zur Berechnung des bei einer potenziellen Kollision eintretenden Schadensausmaßes herangezogen wird. Die Notabschaltung des Roboters 1 wird (auch wenn der Mensch-Roboter-Abstand d den Bremsweg unterschreitet) nur aktiviert, wenn das berechnete Schadensausmaß größer als ein bestimmter Grenzwert ist. Dieses Konzept ermöglicht es, eine Person 6 mit einem Roboter 1 zusammenarbeiten zu lassen, da einerseits die Sicherheit der Person 6 jederzeit gewährleistet ist und andererseits bei trivialen (evtl. auch gewollten) Kontakten ein unnötiges Stillsetzen des Roboters 1 vermieden wird.
Die Berechnung des Schadensausmaßes ist im Falle der in 1 bis 5 dargestellten Mensch-Roboter-Interaktion gleichbedeutend mit der Berechnung der bei einer potenziellen Kollision eintretenden Schwere der Verletzung (engl. injury level) der beteiligten Person 6. Dabei hängt die Verletzungsschwere zum einen vom getroffenen Körperteil der Person 6 ab. So ist bspw. ein Zusammenstoß mit dem Oberarm als unkritischer zu bewerten als ein Zusammenstoß mit sensiblen Körperteilen, wie dem Kopf 11 oder dem Hals. In einer Datenbank sind bevorzugt charakteristische Daten zu typischen Körperteilformen abgelegt. Diese charakteristischen Daten unterstützen die Sensorik in der maschinellen Einordnung der detektierten Körperteile und damit in der maschinellen Erkennung der Körperteile, z. B. mit Mitteln der optischen Mustererkennung (wie dem in 1 gezeigten 3D-Kamerasystem 2).
Zum anderen hängt die Verletzungsschwere entscheidend vom kollidierenden Roboterteil 10, insbesondere von dessen Masse und Geschwindigkeit, ab. Ein schweres, mit hoher Geschwindigkeit bewegtes Roboterteil richtet verständlicherweise einen größeren Schaden an als ein leichtes, mit geringer Geschwindigkeit bewegtes Roboterteil. Die aktuelle Geschwindigkeit des kollidierenden Roboterteiles 10 kann aus den Messergebnissen der in den Achsgelenken 9a, 9b, 9c integrierten Trägheitssensoren 3 abgeleitet werden. In die geschätzte Kollisionsgeschwindigkeit kann bevorzugt nicht nur die Geschwindigkeit des Roboters 1, sondern auch die Geschwindigkeit der Person 6 eingehen, sodass die Notfallsysteme des Roboters 1 auch dann ausgelöst werden, wenn sich dieser in Ruhe befindet. Hierdurch können Personen 6 selbst gegen einen versehentlichen Zusammenprall mit einem stehenden Roboter 1 abgesichert werden. Masse und Abmessungen des kollidierenden Roboterteiles 10 können entweder ebenfalls sensorisch erfasst und / oder aus einer Datenbank entnommen werden, in welcher diese Größen für alle kinematisch relevanten Teile des Roboters 1 zur Verfügung gestellt werden. Auch die weiteren Eigenschaften des kollidierenden Roboterteiles 10, wie insbesondere seine Oberflächenform (flach oder scharfkantig), können ebenfalls in einer Datenbank hinterlegt sein, wobei diese Eigenschaften (z. B. typische Oberflächenformen) in der Datenbank mit unterschiedlichen Bewertungsfaktoren hinsichtlich des durch sie jeweils verursachbaren Schadens gewichtet sind.
Fraglich ist, wann das durch eine solche potenzielle Kollision verursachte Schadensausmaß tolerierbar ist oder nicht. Dazu wird erfindungsgemäß das berechnete potenzielle Schadensausmaß mit einem vorgegebenen Schadensgrenzwert verglichen. Die medizinisch-biomechanische Bewertung von Mensch-Roboter-Kollisionen ist in jüngerer Vergangenheit zunehmend Gegenstand der Forschung geworden. So sind bspw. 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) Beurteilungen bezüglich Kollisionsrisiken zwischen Mensch und Roboter angegeben, damit Verletzungsrisiken innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben. Innerhalb dieser Empfehlungen werden für einzelne Körperteile Angaben hinsichtlich gerade noch akzeptabler Klemm- und Quetschkräfte, Stoßkräfte, Druck- und Flächenpressung gegeben, die in einer Datenbank hinterlegt werden können, um von der Sicherheitsvorrichtung jeweils situationsbedingt als Schadensgrenzwerte ausgelesen zu werden. In diesem Zusammenhang kann auch von den in der Robotersicherheitsnorm ISO/TS 15066 veröffentlichten Grenzwerten Gebrauch gemacht werden. Im Falle einer Mensch-Roboter-Kollision kann es sich bei dem Schadensgrenzwert im Allgemeinen um eine Schmerzschwelle des jeweiligen Körperteiles handeln, wobei ein unterhalb dieser Schmerzschwelle verursachter Schaden akzeptiert und nur ein die Schmerzschwelle übersteigender Schaden als unerlaubt angesehen wird.
Trotz dem sofort eingeleiteten Stillsetzen des Roboters 1 kann es durch Verzögerung und Trägheit noch zu einem Zusammenstoß mit starren und ggf. scharfkantigen Teilen des Roboters 1 kommen, was zu schwerwiegenden Verletzungen bei der beteiligten Person 6 führen kann. Um kollisionsgefährliche Roboterteile (insbesondere Spitzen, scharfe Kanten und Scherkanten) abzudecken und die Folgen einer Kollision zu mindern oder gar ganz abzuwenden, erfolgt gleichzeitig zum durch das Stillsetzmittel bewirkten Stillsetzen des Roboters 1 ein durch ein Auslösemittel bewirktes Auslösen wenigstens eines im Roboter 1 eingebauten Airbags 7, 8.
Bei der in 2 gezeigten Detaildarstellung ist der Innenaufbau des Roboters 1 in dem von einer Ellipse umrandeten Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b gezeigt, welcher gemäß 4 und 5 mit einer Person 6 in Kollisionskontakt gerät. Wie weiter aus 2 ersichtlich, sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten einer Längsachse L des Roboterarmes 14b zwei leere zusammengefaltete Airbags 7, 8 in einem von Abdeckungen 12a, 12b gebildeten Gehäuse 12 des Roboters 1 untergebracht. Um die Airbags 7, 8 im nicht aufgeblasenen Zustand in einer Lage zu halten, in der sie möglichst eng an der Roboterstruktur anliegen, sodass jede Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des Roboters 1 verhindert wird, können entsprechende Haltevorrichtungen (z. B. Gurte) vorgesehen sein. Jeder Airbag 7, 8 umgibt einen Hohlraum, der jeweils mit einer Fluidzuführeinrichtung verbunden ist, wobei das Zuführen des Fluides z. B. von einem Druckluftsystem oder von einer (pyrotechnisch gezündeten) Gaspatrone oder durch eine chemische Reaktion erfolgen kann. Durch die mit dem Druckaufbau eintretende schlagartige Entfaltung des Airbags 7, 8 wird die jeweilige Abdeckung 12a, 12b des Robotergehäuses 12 einer hohen nach außen gerichteten Kraft ausgesetzt. Infolge dieser vom Airbag 7, 8 ausgeübten Kraft wird in der jeweiligen Abdeckung 12a, 12b eine Öffnung freigegeben, durch die der sich entfaltende Airbag 7, 8 hindurchtreten kann. Beispielsweise kann die Freigabe einer Öffnung durch eine scharnierartige Verbindung der jeweiligen Abdeckung 12a, 12b mit dem übrigen Robotergehäuse 12 erreicht werden.
In 3 bis 5 ist gezeigt, wie sich die Positionen des Roboters 1 sowie der im Roboter-Arbeitsbereich befindlichen Person 6 im zeitlichen Ablauf ändern. Ein bei unveränderter Bewegung des Roboters 1 mit dem Kopf 11 der Person 6 kollidierendes Roboterteil 10 (bestehend aus dem zweiten Roboterarm 14b und dem daran befestigten Greifer 13) wird in Uhrzeigerrichtung um das zweite Achsgelenk 9b gedreht. Da die Beschleunigung dieses sich drehenden Roboterteiles 10 von Beginn der Arbeitsbewegung an kontinuierlich oder zumindest in regelmäßigen Zeitabständen mit den in 1 dargestellten Trägheitssensoren 3 in den Achsgelenken 9a, 9b, 9c erfasst wird, kann seine aktuelle Geschwindigkeit und seine aktuelle Position mathematisch bestimmt werden. Solange das sich drehende Roboterteil 10 auf dem verbleibenden Abstand d zwischen Roboterteil 10 und Person 6 sicher zum Stehen kommen kann, besteht kein Anlass ein Stillsetzen des Roboters 1 einzuleiten. Erst wenn der berechnete Bremsweg den vorliegenden Abstand d überschreitet und wenn das berechnete Schadensausmaß einen Grenzwert übersteigt, der im vorliegenden Falle z. B. mit einer Schmerzschwelle oder Verletzungsschwelle des menschlichen Kopfes 11 übereinstimmt, wird der Roboter 1 stillgesetzt und gleichzeitig ein im kollidierenden Roboterteil 10 integrierter Airbag 7 gemäß 5 aufgeblasen, um den menschlichen Kopf 11 vor einer Kollision mit dem harten Robotergehäuse 12 zu schützen. Im Gegensatz zur Auslösemethode bei einem Kraftfahrzeug-Airbag erkennt die gemäß 1 zur Positionsermittlung eingesetzte Sensorik die Gefahr einer Mensch-Roboter-Kollision bereits von Vornherein vor dem eigentlichen Aufprall und aktiviert vorrausschauend den jeweiligen Roboter-Airbag 7.
Gemäß 2, 4 und 5 sind im greiferseitigen Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b zwei Airbags 7, 8 auf zwei unterschiedlichen Seiten der Roboterarm-Längsachse L im Robotergehäuse 12 aufgenommen. Im Kollisionsfall wird immer nur der Airbag, der sich auf der dem Kollisionsobjekt 6 zugewandten Seite befindet, im vorliegenden Falle also der Airbag 7 auf der Unterseite des Roboterarmes 14b, entfaltet, um diese Seite schützend abzudecken. Hingegen verbleibt der andere, auf der dem Kollisionsobjekt 6 abgewandten Seite befindliche Airbag, im vorliegenden Falle also der obere Airbag 8, im zusammengefalteten Zustand und kann daher problemlos weiterverwendet werden. Wenngleich in 2, 4 und 5 die dargestellten Roboter-Airbags 7, 8 auf den Endbereich des zweiten oberen Roboterarmes 14b beschränkt sind, versteht es sich, dass entlang des gesamten Roboters 1 im Robotergehäuse 12 so viele Airbags untergebracht sind, dass im aktivierten entfalteten Zustand dieser Airbags alle ein potenzielles Kollisionsobjekt 6 gefährdenden Teile, wie Ecken, Kanten und / oder Flächen, des Roboters 1 ggf. einschließlich eines vom Roboter 1 geführten Werkzeuges 13 und / oder Werkstückes schützend abgedeckt werden.
Obwohl in 1 bis 5 die Anwendung der erfindungsgemäßen Sicherheitsvorrichtung in Mensch-Roboter-Umgebungen illustriert ist, kann diese auch in beliebigen anderen Anwendungsfällen von industriellen Robotern vorteilhaft zum Einsatz gelangen, um den bei einem Aufprallunfall entstehenden Schaden des Roboters 1 sowie des jeweiligen Kollisionsobjektes 6 zu reduzieren oder ganz zu eliminieren. Allerdings handelt es sich bei MRK-Applikationen um besonders bevorzugte Anwendungsfälle, da der Mensch hier einem sehr hohen Risiko ausgesetzt ist und somit auch ein starker Bedarf nach einer Sicherheitsvorrichtung der hiermit vorgeschlagenen Art besteht.
Sicherheitsvorrichtung und -verfahren nach der Erfindung gestatten es, in Abhängigkeit der miteinander kollidierenden Roboterteile 10 und Objektteile 11 die entsprechenden Notfallmaßnahmen (sofortige Roboter-Stillsetzung und Auslösung der betreffenden Roboter-Airbags 7, 8) zu aktivieren. Insbesondere findet in MRK-Applikationen eine solche Aktivierung nur statt, wenn die Schadensbewertung ergeben hat, dass von der Kollision eine Gefahr der massiven Schädigung für den Roboter 1 und / oder eine Verletzungsgefahr für die Person 6 ausgeht. Somit wird eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion unter Berücksichtigung der menschlichen Verletzungsbiomechanik erreicht. Im Ergebnis werden vom Roboter 1 daher nur biomechanisch sichere Bewegungen erzeugt, die selbst bei einer Kollision keinen Schaden anrichten, da die erfindungsgemäß im Robotergehäuse 12 integrierten Airbags 7, 8 negative Auswirkungen auf die menschliche Sicherheit in jedem Falle unterbinden. Grundsätzlich können somit Arbeiten, die schon lange aufgrund zu hoher Handarbeitskosten nicht mehr in Deutschland durchgeführt werden, wieder wirtschaftlich in Mensch-Roboter-Kollaborationen realisiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Roboter
2: 3D-Kamerasystem (Positionserfassungsmittel)
3: Sensoren in Roboter-Achsgelenken (Positionserfassungsmittel)
4: den Roboter umhüllender kapazitiver Sensor (Positionserfassungsmittel)
5: Sensoren an Objekt (Positionserfassungsmittel)
6: Person (Objekt, Kollisionsobjekt)
7, 8: Airbags
9a, 9b, 9c: Achsgelenke des Roboters
10: auf Objekt treffendes (kollidierendes) Roboterteil
11: menschlicher Kopf (von Roboter getroffenes Objektteil)
12: Gehäuse des Roboters
12a, 12b: Abdeckungen des Robotergehäuses
13: Greifer (Werkzeug)
14a, 14b: Roboterarme
15: Plattform des Roboters
16: Grundgestell des Roboters
d: Abstand zwischen Roboter und Objekt
L: Längsachse des Roboterarmes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 896312 B [0008]
US 2649311 A [0008]
DE 10139194 B4 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konferenzbeitrag "Safety Evaluation of Physical Human-Robot Interaction via Crash-Testing" von S. Haddadin et al., erschienen in Proceedings of the Robotics Science and Systems Conference (RSS), Atlanta, GA, USA, Jun. 2007, pp. 217–224 [0007]
ISO/TS 15066 ("Robots and robotic devices – collaborative robots") [0019]
BGIA-Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, Ausgabe Oktober 2009, Fassung Februar 2011 [0046]
Robotersicherheitsnorm ISO/TS 15066 [0046]

Claims

Sicherheitsvorrichtung zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters (1), umfassend: – ein Positionserfassungsmittel (2, 3, 4, 5) zum Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes (6) relativ zum Roboter (1), – ein Bremswegberechnungsmittel zum Berechnen des Bremsweges des Roboters (1) bei seinem aktuellen Bewegungszustand, – ein Schadensausmaßberechnungsmittel zum Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters (1) eintretenden Kollision zwischen Roboter (1) und Objekt (6), – ein Stillsetzmittel zum Stillsetzen des Roboters (1) und ein Auslösemittel zum Auslösen wenigstens eines im Roboter (1) eingebauten Airbags (7, 8) und – ein Steuermittel, das ausgelegt ist, das Stillsetzmittel und das Auslösemittel zu aktivieren, wenn – ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand (d) zwischen Roboter (1) und Objekt (6) kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters (1) ist und – das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Positionserfassungsmittel wenigstens ein 3D-Kamerasystem (2) umfasst, deren Sichtbereich den Arbeitsbereich des Roboters (1) ganz oder teilweise abdeckt.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Positionserfassungsmittel am Roboter (1) und / oder am Objekt (6) befindliche Sensoren (3, 4, 5) zur Erfassung der jeweils aktuellen Position des Roboters (1) und / oder des Objektes (6) umfasst.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei im Falle eines ein- oder mehrachsig ausgebildeten Roboters (1) die Sensoren (3) jeweils in den Achsgelenken (9a, 9b, 9c) des Roboters (1) integriert sind.
Sicherheitsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei für den Fall, dass es sich bei dem Objekt (6) um eine Person handelt, die Sensoren (5) an den Gelenken und / oder an weiteren biomechanisch relevanten Stellen der Person angebracht sind.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei wenigstens ein Sensor (3, 5) als kabelloser Trägheitssensor, insbesondere als 3D-Gyroskop, -Beschleunigungsaufnehmer und / oder -Magnetometer, ausgebildet ist.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei wenigstens ein Sensor (4) als ein den Roboter (1) umhüllender kapazitiver Sensor ausgebildet ist.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bremswegberechnungsmittel ausgelegt ist, den Bremsweg auf Basis wenigstens eines der folgenden Parameter zu berechnen: Roboterbahn, -masse, -geschwindigkeit sowie andere mechanische Verzögerungsfaktoren.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall auf das Objekt (6) treffenden Roboterteiles (10), insbesondere in Abhängigkeit von dessen Form, Material, Größe, Masse und / oder Geschwindigkeit, zu berechnen.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei das Schadensausmaßberechnungsmittel ausgelegt ist, das Schadensausmaß in Abhängigkeit des im Kollisionsfall vom Roboter (1) getroffenen Objektteiles (11), insbesondere in Abhängigkeit von dessen Empfindlichkeit gegenüber Kollisionen, zu berechnen.
Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei für den Fall, dass es sich bei dem Objekt (6) um eine Person handelt, das berechnete Schadensausmaß ein Maß für die Schwere der durch die Kollision mit dem Roboter (1) hervorgerufenen Körperverletzung darstellt.
Industrieller Roboter mit wenigstens einem Airbag (7, 8), der im deaktivierten zusammengefalteten Zustand in einem Gehäuse (12) des Roboters (1) untergebracht ist und im aktivierten entfalteten Zustand aus dem Gehäuse (12) des Roboters (1) austritt.
Industrieller Roboter nach Anspruch 12, wobei das den Airbag (7, 8) aufnehmende Gehäuse (12) wenigstens eine Abdeckung (12a, 12b) aufweist, die infolge einer bei Aktivierung des Airbags (7, 8) vom sich entfaltenden Airbag (7, 8) ausgeübten Kraft eine Öffnung freigibt, durch die der sich entfaltende Airbag (7, 8) hindurchtreten kann.
Industrieller Roboter nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Roboter (1) mit mehreren Airbags (7, 8) ausgestattet ist, die im aktivierten entfalteten Zustand alle ein Kollisionsobjekt (6) gefährdenden Teile, wie Ecken, Kanten und / oder Flächen des Roboters (1) und / oder eines vom Roboter (1) gehaltenen Werkzeuges (13) und / oder Werkstückes abdecken.
Industrieller Roboter nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei der Roboter (1) wenigstens einen Roboterarm (14) aufweist und wenigstens zwei Airbags (7, 8) auf zwei unterschiedlichen Seiten einer Roboterarm-Längsachse (L) angeordnet sind, um die im Kollisionsfall auf ein Kollisionsobjekt (6) treffende Seite des Roboterarmes (14a, 14b, 14c) durch den jeweils entfalteten Airbag (7, 8) abzudecken.
Sicherheitsverfahren zum sicheren Betrieb eines in einem Arbeitsbereich gesteuert bewegbaren Roboters (1), vorzugsweise unter Verwendung einer Sicherheitsvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 und / oder eines Roboters (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, umfassend die Schritte: – Erfassen der aktuellen Position wenigstens eines im Arbeitsbereich befindlichen Objektes (6) relativ zum Roboter (1), – Berechnen des Bremsweges des Roboters (1) bei seinem aktuellen Bewegungszustand, – Berechnen des Schadensausmaßes im Falle einer bei unveränderter Bewegung des Roboters (1) eintretenden Kollision zwischen Roboter (1) und Objekt (6), – Stillsetzen des Roboters (1) und Auslösen wenigstens eines im Roboter (1) eingebauten Airbags (7, 8), wenn – ein aus der erfassten Relativposition abgeleiteter Abstand (d) zwischen Roboter (1) und Objekt (6) kleiner als der berechnete Bremsweg des Roboters (1) ist und – das berechnete Schadensausmaß größer als ein vorgegebener Schadensgrenzwert ist.