DE10361132B4

DE10361132B4 - Verfahren zur Überwachung der Bewegung eines sich in mehreren Freiheitsgraden bewegenden Gefahr bringenden Objektes eines Handhabungsgerätes, wie Handhabungsmasse und/oder bewegliche Masse

Info

Publication number: DE10361132B4
Application number: DE10361132A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Michael (FH) Niehaus; Friedrich Adams; Georg Berberich; Franz Som
Original assignee: Elan Schaltelemente GmbH and Co KG; Reis Group Holding GmbH and Co KG
Current assignee: K A Schmersal & Co Kg De GmbH; Reis Group Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: DE10361132A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Bewegung eines sich in mehreren Freiheitsgraden bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) eines Handhabungsgerätes (10), wie einer Handhabungsmasse, in Bezug zu einem stillstehenden oder sich bewegenden gefährdeten Objekt (16) mit bekannter Position (P), wie im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes (14) stehende oder sich bewegende Person und/oder im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes (14) definierte kartesische oder achsspezifische Schutzzone, wobei eine kinetische Energie des sich bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie des sich bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) fortlaufend berechnet wird, dass bei einer Bewegung des Gefahr bringenden Objektes (14) in Richtung eines potentiellen Kollisionspunktes (K) mit dem gefährdeten Objekt (16) eine Entfernung (E) in Bewegungsrichtung zwischen dem Gefahr bringenden Objekt (14) und dem potentiellen Kollisionspunkt (K) fortlaufend berechnet wird, dass eine Geschwindigkeit VRob des Gefahr bringenden Objektes (14) bei Erreichen einer von der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung der Bewegung eines sich in mehreren Freiheitsgraden bewegenden Gefahr bringenden Objektes eines Handhabungsgerätes, wie einer Handhabungsmasse, in Bezug zu einem stillstehenden oder sich bewegenden gefährdeten Objekt mit bekannter Position, wie im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes stehende oder sich bewegende Person und/oder im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes definierte kartesische oder achsspezifische Schutzzone, wobei eine kinetische Energie des sich bewegenden Gefahr bringenden Objektes berechnet wird.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist in der DE 101 25 445 A1 (nächstliegender Stand der Technik) beschrieben. Um im Falle eines durch Fehler bedingten Auflaufens von Roboterteilen gegen die mechanische Struktur einer Beschädigung des Roboters durch Überschreiten der durch die Struktur aufnehmbaren Energie zu vermeiden, ist gemäß DE 101 25 445 A1 vorgesehen, dass die kinetische Energie von bewegten Robotergliedern um eine Achse auf die durch einen der entsprechenden Achse zugeordneten mechanischen Puffer zerstörungsfreie aufnehmbare Energie begrenzt wird.
Seit längerer Zeit besteht das Bedürfnis, Handhabungsgeräte wie Roboter und andere Mehrachs-Maschinen ohne trennende Schutzumzäunungen (sogenannter OTS-Betrieb) einzusetzen, um zu einem besseren Leistungsverhältnis des Zusammenspiels von Mensch und Maschine im Sinne einer Stärken-/Stärken-Kombination bzw. Stärken-/Schwächen-Kompensation zu kommen. In diesem Zusammenhang gewinnt die Überwachung von Achsbewegungen von Handhabungsgeräten mit Sicherheits- bzw. Personenschutzfunktion zunehmend an Bedeutung.
Nach dem Stand der Technik ist es üblich, dass eine das Handhabungsgerät umgebende Umzäunung, in Verbindung mit anderen sicherheitstechnischen Maßnahmen, Personen vor Gefahr bringenden Achsbewegungen, wegfliegenden Teilen und anderen Gefahrenzuständen schützt, die auf Fehler oder Ausfälle in einer Maschinensteuerung und ihrer Sensorik, MMI-Schnittstellen und/oder Aktuatorik zurückzuführen sind (Schutz im Fehlerfall).
Alternativ sind auch Überwachungselektroniken mit verschiedenen sicherheitsgerichteten Funktionalitäten bekannt, die beispielsweise in den Druckschriften EP 1 035 953 A2 , EP 1 267 234 A2 , EP 1 239 354 A1 sowie EP 1 247 622 A1 beschrieben sind, auf deren Inhalt hier Bezug genommen wird.
Mit der in den obigen Patentanmeldungen beschriebenen Überwachungselektronik ist bereits ein OTS-Betrieb realisierbar. Die Technologie ermöglicht dem Bediener, sich während des Produktionsbetriebes ganz ohne trennende Schutzreinrichtung in unmittelbarer Nähe des Roboters aufzuhalten. Das ist vor allem für Schweiß- und Schneidprozesse erforderlich. Der Bediener kann zum Beispiel den Prozess beobachten und bei Prozessabweichungen korrigierend eingreifen. Bei dieser Betriebsart wird die Geschwindigkeit des Roboters auf einen maximalen Wert von beispielsweise 50 mm/sec 3 begrenzt. Der Produktionsprozess läuft dabei selbständig ab, ohne dass der Bediener einen Zustimmungsschalter betätigen muss.
Um im OTS-Betrieb sicherzustellen; dass sich Mensch und Maschine nicht ins Gehege kommen, überwacht der Sicherheitscontroller jede einzelne Roboter- oder Peripherieachse auf Einhaltung einer maximalen Geschwindigkeitsgrenze. Ebenso unterliegt die kartesische Geschwindigkeit des Roboters und/oder des Roboterwerkzeugs im Raum der Überwachung. Vor etwaigen Einquetschgefahren schützen zusätzlich die kartesischen Nocken. Bei Überschreiten einer der sicherheitsrelevanten Grenzwerte erfolgt ein sicheres Stillsetzen der Anlage.
Ziel einer sicheren Steuerung ist es immer, im Gefahrenfall den Roboter so schnell wie möglich in einen sicheren Zustand wie beispielsweise Stillstand oder reduzierte Geschwindigkeit zu bringen. Dabei darf die Maschine beim Abbremsen weder mechanisch noch elektrisch überlastet werden, um einen unkontrollierten Maschinenzustand zu vermeiden, der seinerseits eine potentielle Gefahr für den Bediener darstellt. Eine potentielle Gefahr in diesem Zusammenhang kann zum Beispiel eine Strom- oder eine Greiferüberlastung sein.
Im allgemeinen wird die Maschine so ausgelegt, dass sie im „worst case”, d. h. bei gegebenem maximalen Bremsstrom eine maximale Geschwindigkeit auf Null abbremsen kann. Dies hat jedoch maximale Nachlaufwege zur Folge, die eine entsprechende Dimensionierung der Schutzgitterabstände erfordert.
In der DE 38 30 790 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Kollisionsvermeidung für automatisch führbare Fahrzeuge beschrieben. Da in kritischen Verkehrssituationen häufig nicht schnell genug und situationsgerecht auf Gefährdungen durch Hindernisse reagiert werden kann, soll in derartigen Fällen mittels einer automatischen Kollisionsvermeidung ein kollisionsvermeidendes Beschleunigungs-, Brems- bzw. Ausweichmanöver durchgeführt werden. Dies wird durch ein hierarchisch aufgebautes Verfahren und durch eine zugehörige Vorrichtung erreicht, wobei sensorische Daten des Fahrzeuges und seiner Soll-Bahn erfasst und daraus ermittelte Soll-Signale der Fahrzeugbahn einer zweiten hierarchischen Stufe einer Kollisionsvermeidungsvorrichtung zusammen mit den beispielsweise sensorisch erfassten Daten einer Hindernisbahn zugeführt und darüber die Stellglieder der Fahrzeugregelung im Sinne einer Kollisionsvermeidung in einer dritten hierarchischen Stufe angesteuert werden. Ein Einbezug einer kinetischen Energie des Fahrzeugs als Gefahr bringendes Objekt ist nicht angesprochen.
Die US 5 347 459 A offenbart ein Verfahren zur Erkennung einer Kollision zwischen einem Roboter und einem oder mehreren Gegenständen. Dabei wird der Roboter durch Sphären in einem Voxel-Arbeitsraum modelliert. Jedem Voxel innerhalb des Arbeitsraums ist ein Wert zugeordnet, der einem Abstand von dem nächsten Objekt entspricht. Eine Kollision wird als drohend interpretiert, wenn der Voxel-Wert im Zentrum einer Sphäre geringer ist als der Radius der Sphäre des Voxels.
In der Druckschrift von Duffy, N., u. a.: „Real-time collision avoidance system for multiple robots operating in shared work-space”; Computers and digital technics; IEE PROCEEDINGS, Vol. 136, Issue 6, 1989, S. 478–484; S. 479, Kap. 3, S. 483, letzter Absatz von Kap. 4, ist die Modellierung eines Handhabungsgerätes, Erfassung dessen Position und Vergleich der Position eines Gefahr bringenden Objektes mit in einem Arbeitsraum definierten Objekt beschrieben.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur Überwachung der Bewegung eines sich in mehreren Freiheitsgraden bewegenden Gefahr bringenden Objektes derart weiterzubilden, einen Bremsweg des Gefahr bringenden Objektes so minimal wie möglich zu halten, um Stoß- und Quetschgefahren zwischen gefährdeten Objekten und Gefahr bringenden Objekten zu reduzieren. Insgesamt soll die Wirtschaftlichkeit des Maschinenbetriebs erhöht werden, ohne dabei den Schutz des Menschen und/oder der Maschine zu vernachlässigen.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch wird erreicht, dass ein Bremsweg des Gefahr bringenden Objektes so minimal wie möglich eingestellt werden kann, um Stoß- und Quetschgefahren zwischen einer Bedienperson und/oder einem Objekt und der Maschine, d. h. dem Gefahr bringenden Objekt zu reduzieren.
Das Handhabungsgerät fährt das Gefahr bringende Objekt mit variabler reduzierter Geschwindigkeit an die Gefahrenstelle heran, so dass eine Gefahrposition, z. B. Übergabestation Bediener/Maschine im Schleichgang angefahren wird.
Gemäß einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die kinetische Energie des Gefahr bringenden Objektes mit einem dynamischen Modell des Handhabungsgerätes berechnet wird. Das Gefährdungspotential des Gefahr bringenden Objektes zu dem gefährdeten Objekt kann über die Position, die Geschwindigkeit und die Richtung des Gefahr bringenden Objektes bestimmt werden. Je höher das Gefährdungspotential ist, desto stärker wird die Geschwindigkeit reduziert.
Eine weitere besondere Verfahrensweise sieht vor, dass zusätzlich zu der Position des gefährdeten Objektes auch dessen eventuelle Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung in Bezug zu dem Handhabungsgerät bzw. dem Gefahr bringenden Objekt berechnet und in die Bewertung einbezogen wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Geschwindigkeit und/oder die Bewegungsrichtung von einem dafür geeigneten Sensor oder Sensorsystem erfasst wird.
Ein weiteres alternatives Verfahren zur Lösung des Problems zeichnet sich dadurch aus, dass die kinetische Energie des Gefahr bringenden Objektes ständig vorzugsweise mittels eines dynamischen Modells des Handhabungsgeräts berechnet wird, dass die Geschwindigkeit des Gefahr bringenden Objektes ständig so nachgeregelt und überwacht wird, dass bei einer Bremsanforderung die aktuelle Geschwindigkeit v_akt innerhalb eines definierten Weges oder wahlweise innerhalb einer definierten Zeit auf einen vorgegebenen ungefährlichen Wert wie beispielsweise Stillstand reduziert wird. Dabei kann des Weiteren vorgesehen sein, dass während der Bremsphase eine Bremsrampe, d. h. ein Verlauf einer abnehmenden Geschwindigkeit über die Zeit zyklisch überwacht und im Fall einer Abweichung mit vorgegebenen Werten eine Stillsetzung des Gefahr bringenden Objektes eingeleitet wird. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Verfahrensweise ist bei der Geschwindigkeitsüberwachung mit definiertem Bremsweg und/oder Bremszeit das Vorhandensein eines gefährdeten Objektes nicht zwingend erforderlich.
Einer weiteren Verfahrensweise liegt der Gedanke einer vollständigen Kollisionsprüfung zwischen sämtlichen Teilen des Handhabungsgerätes und gefährdeten Objekten zu Grunde. Die Lösung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass mittels des kinematischen Modells des Handhabungsgerätes eine Hüllfläche berechnet wird und dass die Hüllfläche bezogen auf Abstände zu gefährdeten Objekten überprüft wird und bei Unterschreiten eines minimalen Abstandes zwischen Hüllfläche und einem der gefährdeten Objekte eine Stillsetzung des Gefahr bringenden Objektes erfolgt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Handhabungsgerätes mit Gefahr bringendem Objekt mit zugehörigem Geschwindigkeitsdiagramm in Annäherung an ein gefährdetes Objekt.
2 eine schematische Darstellung eines Handhabungsgerätes mit Gefahr bringendem Objekt mit zugehörigem Geschwindigkeitsdiagramm beim Abbremsen des Gefahr bringenden Objektes außerhalb eines betriebsmäßigen Arbeitsbereichs und
3 eine schematische Darstellung eines Handhabungsgerätes zur vollständigen Kollisionsprüfung zwischen Handhabungsgerät und gefährdeten Objekten.
1 zeigt rein schematisch ein Handhabungsgerät 10 wie Roboter mit einem um eine Vielzahl von Achsen bewegbaren Roboterarm 12 zur Bewegung eines Objekts 14 wie an einem Flansch montierten Werkzeug und/oder Werkstück in einem Arbeitsbereich A. Im Arbeitsraum A des Roboters 10 befindet sich ferner ein gefährdetes Objekt 16, welches in einem Arbeitsraum stehende oder bewegende Personen und/oder in dem Arbeitsraum A definierte kartesische oder artspezifische Schutzzonen darstellt. Eine Eigenbewegung des gefährdeten Objektes ist mit v_eigen gekennzeichnet.
Über ein dynamisches Robotermodell wird fortlaufend eine kinetische Energie der sich mit der Geschwindigkeit v_roboter bewegenden Gefahr bringenden Objekte 10, 12, 14 berechnet. Über die Geschwindigkeit und Richtung, dargestellt durch den Geschwindigkeitsvektor v_roboter des Gefahr bringenden Objektes 14 wird fortlaufend eine Entfernung E zu einem potentiellen Auftreffpunkt K an dem gefährdeten Objekt 16 berechnet. Dabei kann neben der Position des gefährdeten Objektes 16 auch eine eventuelle Eigengeschwindigkeit und eine Bewegungsrichtung, dargestellt durch den Geschwindigkeitsvektor v_eigen des gefährdeten Objektes 16 in Bezug zum Roboter 10, 12 bzw. des Gefahr bringenden Objektes 14 in die Bewertung eingezogen werden. Die Informationen betreffend Eigengeschwindigkeit und Position des gefährdeten Objektes können beispielsweise von einem geeigneten Sensor oder Sensorsystem (nicht dargestellt) geliefert werden.
Innerhalb des definierten Arbeitsbereichs A werden die Gefahr bringenden Objekte 10, 12, 14 mit einer Nominalgeschwindigket bewegt. Sobald eine Minimalentfernung E_min zwischen dem Gefahr bringenden Objekt 14 und dem gefährdeten Objekt 16 erreicht ist, wird die Geschwindigkeit des Gefahr bringenden Objektes 10, 12, 14 ständig so nachgeregelt und überwacht, dass es möglich ist, die kinetische Energie bis an den Kollisionspunkt K zwischen dem Gefahr bringenden und dem gefährdeten Objekt bis auf Null abzubauen. Eine Darstellung des Geschwindigkeitsverlaufs von der Nominalgeschwindigkeit bis zur Geschwindigkeit Null über die Strecke ist in dem Geschwindigkeitsdiagramm gemäß 1 im Bremsbereich B dargestellt.
Daraus folgt, dass das Gefahr bringende Objekt 14 durch den Roboter 10 an die Gefahrenstelle K mit immer weiter reduzierter Geschwindigkeit v herangefahren wird, so dass die Gefahrenstelle K im Schleichgang angefahren wird.
Bei größer werdendem Abstand zwischen dem Gefahr bringendem Objekt 14 und dem gefährdeten Objekt 16 wird die Geschwindigkeit v bis zu der Nominalgeschwindigkeit v_nom angehoben.
Die in 1 dargestellte Steuerung kann auch als zustandsangepasste Bewegungsgeschwindigkeitssteuerung bezeichnet werden.
Ein weiteres Verfahren zur Überwachung der Geschwindigkeit und/oder der Position des Gefahr bringenden Objektes 14 ist in 2 dargestellt. Das Vorhandensein eines gefährdeten Objektes 16 ist in diesem Fall nicht erforderlich. Auch hier wird über ein dynamisches Robotermodell ständig die kinetische Energie des Gefahr bringenden Objektes 10, 12, 14 berechnet. Im betriebsmäßigen Arbeitsbereich A wird die Geschwindigkeit v_roboter des Gefahr bringenden Objektes 14 ständig so nachgeregelt und überwacht, dass bei einer Bremsanforderung die aktuell eingestellte Geschwindigkeit v_akt innerhalb eines definierten Weges S_brems oder wahlweise innerhalb einer definierten Zeit t_brems auf einen vorgebbare ungefährlichen Wert gegebenenfalls bis zum Stillstand abgebaut wird. Ein Geschwindigkeitsdiagramm, welches über die Zeit t aufgetragen ist, ist ebenfalls der 2 zu entnehmen. Die maximal mögliche Geschwindigkeit ergibt sich in Abhängigkeit von der Roboterachsstellung aus der kinetischen Energie der Nutzlast 14 und des Roboters 10, wie in dem v-t-Diagramm dargestellt ist. Während der Bremsphase wird eine Bremsrampe 18 zyklisch überwacht, und im Fall einer Abweichung von einem vorgegebenen Verlauf wird der Roboter 10 mit maximal möglicher Bremswirkung stillgesetzt.
Ein weiteres Verfahren, welches sich auf die vollständige Kollisionsprüfung zwischen Handhabungsgerät 10 und gefährdeten Objekten 16.1, 16.2 bezieht, ist in 3 dargestellt. Das Tangieren eines Schutzbereichs wird mit der vollständigen Roboterkinematik überprüft. Hierbei wird das kinematische Modell des Roboters 10 mit dessen Hüllflächen ständig berechnet und auf Entfernungen E1–E3 zu den möglichen Kollisionspunkten K1, K2, K3 an den gefährdeten Objekten 16.1, 16.2 überprüft. Die Schutzbereiche sowie die kinematischen Abmessungen des Roboters 10 werden der Sicherheitssteuerung wie beispielsweise eines Safetycontrollers durch Konfiguration bekannt gemacht.
Durch das zuvor beschriebene Verfahren wird eine vollständige Kollisionsprüfung zwischen Roboter und gefährdeten Objekten erreicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass ein Bremsweg so minimal wie möglich gehalten wird, um Stoß- und Quetschgefahren zwischen Personen und/oder Gegenständen und dem Gefahr bringenden Objekt zu reduzieren.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Bewegung eines sich in mehreren Freiheitsgraden bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) eines Handhabungsgerätes (10), wie einer Handhabungsmasse, in Bezug zu einem stillstehenden oder sich bewegenden gefährdeten Objekt (16) mit bekannter Position (P), wie im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes (14) stehende oder sich bewegende Person und/oder im Arbeitsraum A des Gefahr bringenden Objektes (14) definierte kartesische oder achsspezifische Schutzzone, wobei eine kinetische Energie des sich bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie des sich bewegenden Gefahr bringenden Objektes (14) fortlaufend berechnet wird, dass bei einer Bewegung des Gefahr bringenden Objektes (14) in Richtung eines potentiellen Kollisionspunktes (K) mit dem gefährdeten Objekt (16) eine Entfernung (E) in Bewegungsrichtung zwischen dem Gefahr bringenden Objekt (14) und dem potentiellen Kollisionspunkt (K) fortlaufend berechnet wird, dass eine Geschwindigkeit V_Rob des Gefahr bringenden Objektes (14) bei Erreichen einer von der kinetischen Energie des Gefahr bringenden Objektes (14) abhängigen minimalen Entfernung (E_min) derart reduziert wird, dass die kinetische Energie bei einer Bewegung in Richtung des potentiellen Kollisionspunktes (K) innerhalb der minimalen Entfernung (E_min) bis auf einen gewünschten Wert abbremsbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie des Gefahr bringenden Objektes (14) mit einem dynamischen Modell des Handhabungsgerätes (10) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geschwindigkeit (V_eig) und eine Bewegungsrichtung des gefährdeten Objektes (16) in Bezug zu dem Gefahr bringenden Objekt (14) berechnet und in die Bewertung einbezogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (V_eig) und/oder die Bewegungsrichtung des gefährdeten Objektes (16) von einem geeigneten Sensor oder Sensorsystem wie Personenscanner erfasst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit V_Rob des Gefahr bringenden Objektes (14) bei einer Bremsanforderung innerhalb einer definierten Zeit auf einen vorgegebenen ungefährlichen Wert wie beispielsweise Stillstand reduziert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Bremsphase (B) eine Bremsrampe, d. h. ein Verlauf einer abnehmenden Geschwindigkeit V_Rob über die Zeit zyklisch überwacht und im Fall einer Abweichung von einem vorgegebenen Verlauf der Bremsrampe eine Stillsetzung des Gefahr bringenden Objektes (14) eingeleitet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Kollisionsprüfung zwischen sämtlichen beweglichen Teilen des Handhabungsgerätes (10) und gefährdeten Objekten (16.1, 16.2) in sicherer Technik durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des kinematischen Modells des Handhabungsgerätes (10) eine Hüllfläche berechnet wird und dass die Hüllfäche bezogen auf Abstände (E1, E2, E3) zu gefährdeten Objekten (16.1, 16.2) überprüft wird und bei einem Unterschreiten eines minimalen Abstandes (E1_min, E2_min, E3_min) zwischen Hüllfläche und einem der gefährdeten Objekte (16.1, 16.2) eine Stillsetzung des Gefahr bringenden Objektes (10, 14) erfolgt.