Future Tracks – Gute Arbeit in der Fabrik 4.0...

© Fraunhofer IFF, Magdeburg 2015Dr. Norbert Elkmann

Future Tracks – Gute Arbeit in der Fabrik 4.0Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-Kooperationen

Dr. techn. Norbert Elkmann 14.04.2015

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Motivation

Entlastung des Menschen bei körperlichen Tätigkeiten

Zusammenführung der Stärken von Mensch und Roboter

Steigerung von Effizienz, Produktivität und Qualität

Flexible Automatisierung Neue Anlagenkonzepte durch

Wegfall von trennenden Schutzeinrichtungen

Forschungsschwerpunkte Geschäftsfeld Robotersysteme am Fraunhofer IFF

sichere Mensch-Roboter-Kooperation Intuitive Mensch-Roboter-Interaktion Intelligente Assistenzroboter

Herausforderungen

Demografischer Wandel Mangel an Fachkräften Produktion in Hochlohnländern Wirtschaftlichkeit Qualitätssteigerung Neue Produktionskonzepte

Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenHerausforderungen, Motivation

Mobiler Assistenzroboter „ANNIE“

Kapazitive Sensorik zur Annäherungsdetektion

Taktile Sensorik zur Kollisionsdetektion

Werkerassistenz mit Industrieroboter hoher Trag-lasten: handgeführter Roboter

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Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenAuszug relevanter Normen & Richtlinien

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG

ISO 12100, Teile 1 / 2 Sicherheit von MaschinenGrundbegriffe, allgemeine Gestaltungsleitsätze, Risikobeurteilung

EN ISO 10218 Teil 1 / Teil 2: 2011 Industrieroboter Sicherheitsanforderungen „Roboter“ (Teil1 ) und „Robotersystem und Integration“ (Teil 2)

ISO/TS 15066 Robots and robotic devices - Collaborative robotsSafety requirements (ergänzt EN ISO 10218 Teil 2), Veröffentlichung Ende 2015

ISO 13849 / IEC 62061 Sicherheit von MaschinenSicherheitsbezogene Teile von Steuerungen

ISO 13855 Sicherheit von MaschinenAnordnung von Schutzeinrichtungen hinsichtlich Annäherung von Körperteilen

IEC 60204-1 Elektrische Ausrüstung von Maschinen

IEC/TR 61496-4 Safety of machinery - Electro-sensitive protectiveequipment - Part 4: Particular requirements for equipmentusing vision- based protective devices

DIN EN 61508 Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer, elektronischer und programmierbar elektronischer Systeme


Folie 4

Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenSicherheitskonzepte gemäß Normung EN ISO 10218

Manuelles Führen des Roboters z.B. durch Joystick oder Kraft-/ Momentensensor

Einrichtung zum Stillsetzen im Notfall nahe am Endeffektor

Zustimmungseinrichtung mit speziellen Sicherheits-anforderungen

Sicherheitsbewertete überwachte Roboter-geschwindigkeit (PL d, max. Geschwindigkeit ist in der Risikobeurteilung fest-zulegen)

Handführung Sicherheitsbewerteterüberwachter Halt

Leistungs- und Kraftbegrenzung

Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung


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Roboter muss sicher anhalten bei Personenzutritt in Kollaborationsraum

Alternativ: Geschwindigkeits-reduzierung mit anschließendem Stopp der Kategorie 2 mit sicherer Überwachung

Automatischer Wiederanlauf erlaubt, wenn Person den Arbeitsraum verlässt

Sichere Roboter-geschwindigkeit (PL d) und festgelegter Mindestabstand zu Personen (ISO/TS 15066)

Geschwindigkeits-reduzierung bei Annäherung einer Person und Sicherheits-halt bei Verletzung des Mindestabstands (Personenerkennungs-system PL d)

Sensorische, mechan-ische und/oder elek-tronische Begrenzung von Kraft/Druck bei Kollision zwischen Mensch und Roboter (in sicherer Technik, PL d)

ISO 10218-2 und ISO/TS15066 („Kräfteatlas“) sind anzuwenden

Festlegung der Grenzwerte gemäß Risikobeurteilung, Benutzerinformation

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der Roboter kann keine CE-Kennzeichnung erhalten, sondern nur eine Einbauerklärung, da es sich um eine unvollständige Maschine handelt

Jede Applikation mit kollaborierendem Robotereinsatz muss einer Risikoanalyse unterzogen werden

eine umfassende und spezifische Risikobeurteilung ist zwingend notwendig

es ist dabei immer die Gesamtzelle/-applikation zu betrachten, nicht nur der Roboter:Roboter, Applikation, Spanner, Greiftechnik, Werkstück, Werkzeug, Prozess, Sensorik, Anlagenlayout

es gibt nicht „den“ sicheren Roboter und nicht „die“ sichere Sensorik

Voraussetzung: sicherheitszertifierte Robotersteuerung (sichere Geschwindigkeit und Position) und sicherheitszertifierte Sensorik (Performance Level d)

Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenAllgemeine Hinweise zu Normen/Sicherheit bei MRK


Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenNeue Entwicklungen: MRK- Ansatz „Geschwindigkeits-und Abstandsüberwachung“ Detektion der Annäherung des Menschen in den Roboterarbeitsraum

Anwendung von Abstandsberechnung gemäß ISO/TS 15066:

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Pilz Safety Eye: sicheres Kamerasystem zur dreidimensionalen Raumüberwachung, Quelle: www.pilz.com

Fraunhofer IFF: ortsauflösender Fußboden zur sicheren Arbeitsraumüberwachung

© Pilz Gmbh & Co KG


Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenNeue Entwicklungen: MRK- Ansatz „Geschwindigkeits-und Abstandsüberwachung“ Projektions- und kamerabasiertes Arbeitsraumüberwachungssystem mit

dynamischen Schutzbereichen

erstmalige Umsetzung von optimierter Personendetektion (Auflösung: Hand/Finger) UND dynamischen Schutzbereichen

Arbeitsraumüberwachung und Objekterkennung

Arbeitsraumüberwachung mit dynamischen Schutzbereichen

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Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenNeue Entwicklungen: Projektions- und kamerabasiertes Sensorsystem: intuitive Interaktion

Projektionssystem als Hilfsmittel zum Einrichten/ Teachen

Interaktive Schaltflächen/ Menüs zum Steuern/ Bedienen

Erkennen, Greifen, Transport von Objekten

neben der visuellen Darstellung des Schutzraums sind weitere Informationseinblendungen möglich (nächste Prozessschritte....)

Gestensteuerung

2½ D-Erfassung von Objekten im Arbeitsraum zu Prozesszwecken

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Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenNeue Entwicklungen: MRK- Ansatz „Handführung und Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“

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Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenNeue Entwicklungen: MRK- Ansatz „Kraftbegrenzung“

Taktile Sensorik Fraunhofer IFF

KUKA Leichtbauroboter iiwaQuelle: : https://www.youtube.com/watch?v=

AWbJ9Pbm97s

Roboter mit interner Sensorik (Momenten- oder Motorstrommessung in den Gelenken/Antrieben)

taktile Sensorik an Robotern

Sichere Kollisionserkennung zwischen Mensch und Roboter

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© KUKA Roboter Gmbh


Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-Kooperationen Aktuelle Projekte: MRK- Ansatz „Kraftbegrenzung“Experimentelle Bestimmung der biomechanischen Belastungsgrenzen: Motivation

Methodisch ermittelte biomechanische Belastungsgrenzen (Schmerz- und Verletzungs-eintritt) für dynamische Kollision an unterschiedlichen Körpereinzelbereichen

IFF-Ansatz: Kollisions-Untersuchungen mit Probanden

Positives Votum der Ethik-Kommission liegt vor



Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-Kooperationen Aktuelle Projekte: MRK- Ansatz „Kraftbegrenzung“Experimentelle Bestimmung der biomechanischen Belastungsgrenzen: Ziel und Untersuchungsschwerpunkte

Ermittlung der Belastungsgrenzen bei Mensch-Roboter-Kollisionen unter Einbeziehung aller messbaren Einflussgrößen

Abbruchkritieren: Schmerzeintritt bzw. Schwellung oder Hämatom oder mittelstarker Schmerz (Verletzungseintritt)

Bestimmung der relevanten Einflussgrößen Kollisionsgeometrie

Kollisionsgeschwindigkeit

Masse (effektive Robotermasse für Kollisionsfall)

für unterschiedliche Körperlokalisationen Untersuchung der Abhängigkeit zwischen Schmerz-

und Verletzungseintritt (Bagatellverletzungen) Ziel: Erarbeitung einer evaluierten und statistisch

signifikanten Schmerz- und Verletzungseintritts-schwellen - Tabelle für dynamische Kollisionen© Fraunhofer IFF


Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenAktuelle Projekte: MRK- Ansatz „Kraftbegrenzung“Experimentelle Bestimmung der biomechanischen Belastungsgrenzen: Konsortium, aktuelle Projekte

Klinikum der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Klinik für Dermatologie & VenerologieInstitut für Rechtsmedizin

Klinik für Unfallchirurgie Institut für Neuroradiologie

Koordination Probandenakquise

Fraunhofer IFF

Durchführung der Stoßversuche Messtechnik und Versuchsstand Auswertung der Messergebnisse

Votum der Ethik-Kommission liegt vor

Studie 1: Experimentelle Bestimmung der biomechanischen Belastungsgrenzen bei Mensch-Roboter-Kollisionen (Fraunhofer IFF mit Uniklinik Magdeburg), Schwerpunkt liegt auf Verletzungs-eintrittBeginn: 2013, in Bearbeitung (finanzielle Unterstützung durch Daimler AG und KUKA AG)

Studie 2: „Kollaborierende Roboter - Ermittlung von Schmerzeintrittsschwellen an der Mensch-Maschine-Schnittstelle - Flächige statische (Uni Mainz) und dynamische Kontaktierung (Fraunhofer IFF)“, Auftrag Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) - DGUV Fachbereich Holz und Metall projektbeteiligt: Uni Mainz, Projektbeginn 12/2014


Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-Kooperationen MRK- Ansatz „Kraftbegrenzung“Experimentelle Bestimmung der biomechanischen Belastungsgrenzen: Validierung von Robotersystemen für MRK- Einsatz

biofidele Messsysteme: Steifigkeit und Dämpfung entsprechend der Körperlokalisation

Untersuchung von Robotern hinsichtlich ihrer dynamischen Kollisions- und Bremsverhaltens (auftretende Kräfte/Druckver-teilungen) bei Kollision (z.B. mit biofidelem Messsystem des IFA „Kolrobot“)

Ermittlung MRK- Eignung bzw. max. Robotergeschwindigkeiten für MRK

Kolrobot-Messsystem (Kollisionsmessung mit Roboter)

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Industrielle Umsetzung von Referenz-anwendungen mit „steigendem MRK-Grad“

Entwicklung MRK- optimierter

Roboter

Sensorik (Kraft-/Momentensensoren, Kollisions–und Annäherungsdetektion, Arbeitsraum-überwachung unter Berücksichtigung dynamischer Schutzräume u.a.)

Greifer, Montagewerkzeuge u.a.

Kommunikationsschnittstellen

unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen/Zertifizierung

Technologien für die intuitive Interaktion zwischen Menschen und Roboter

Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenAusblick

© Fraunhofer IFF

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„Computer Aided Safety“: Planungs- und Entwicklungsumgebung für sichere Mensch-Roboter-Kooperation Simulation der kompletten Applikation (auch

Roboter und Sensorik), Ermittlung der Takt-raten unter Einbeziehung der Sicherheits-anforderungen (Normenvorgaben, z.B. “Kräfteatlas“ für Kollisionsfall)

Hinweis auf Gefahrenstellen und Optimierungs-möglichkeiten unter Einbeziehung der Vorgaben aus Normung, Bestimmung der maximalen Robotergeschwindigkeiten für die Applikation

Unterstützung des Zertifierungsprozesses

Zukünftige Produktion und MRK Berücksichtigung der MRK-Anforderungen und

verfügbaren Technologien bei Neuplanung von Produktionsstätten (z.B. Vor- und Endmontage)

Arbeitssicherheit bei Mensch-Roboter-KooperationenAusblick

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Folie 17

Kontakt

Dr. techn. Norbert ElkmannGeschäftsfeldleiter RobotersystemeTelefon 0391 4090-222Fax 0391 4090-93-222 email [email protected]

Fraunhofer-Institut für Fabrik-betrieb und -automatisierung IFFSandtorstraße 2239106 Magdeburg

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