© Fraunhofer IFF, Magdeburg 2014 Dr. techn. Norbert Elkmann

Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration: aktuelle Entwicklungen und ProjekteRobotics Kongress 2014, HannoverDr. Norbert Elkmann 09. Dezember 2014

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Motivation

Entlastung des Menschen bei körperlichen Tätigkeiten

Flexible Automatisierung Zusammenführung der Stärken

von Mensch und Roboter Steigerung von Effizienz,

Produktivität und Qualität Neue Anlagenkonzepte durch

Wegfall von trennenden Schutzeinrichtungen

Forschungsschwerpunkte Geschäftsfeld Robotersysteme am Fraunhofer IFF

Stationäre und mobile Assistenzroboter Entwicklung neuer Technologien für

sichere Mensch-Roboter-Kooperation Intuitive Mensch-Roboter-Interaktion

Herausforderungen

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

Mensch-Roboter-KollaborationHerausforderungen, Motivation

LiSA – mobiler Assistenzroboter für den Einsatz in Laboren von Life-Science Unternehmen

Mobiler Assistenzroboter „ANNIE“

Projektions- und kamerabasierte Arbeitsraumüberwachung

Taktile Sensorik zur Kollisionsdetektion

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Folie 3

Mensch-Roboter-KollaborationSicherheitskonzepte

DIN EN ISO 10218 und ISO/TS15066:4 Konzepte für die Realisierung von MRK-Arbeitsplätzen

Handführung

Sicherheitsbewerteterüberwachter Halt

Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung

Kraft- / Leistungs-begrenzung

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Assistenzrobotik und sichere MRKAktuelle Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer IFF

• Taktile Sensoren an Robotern• Detektion Annäherung (kapazitive

Sensorik)• Ortsaufgelöster, druckempfindlicher

Fußboden

Taktile und kapazitive Sensorsysteme • Rüsselkinematik

• Leichtbauroboter

Sichere Kinematiken

• Projektions-/Kameratechnik• Onlineplanung von Schutzräumen• Dynamische Schutzraumplanung• Absicherung von Werkzeugen

Sensorische Arbeitsraumüberwachung

Kollisionsuntersuchungen• Ermittlung Belastungsgrenzen• Messung der Kollisionskräfte/

-druckverteilung

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Assistenzrobotik und sichere MRKSpezialisierte Kinematiken für die sichere MRI

Eigensichere Kinematiken durch Leichtbau, Kraftbegrenzung und Vermeidung von Scher- und Klemmstellen

Sicherheit ohne Zusatzsensoren

Rüsselkinematik „Brommi“ Leichtbauroboter ALEXA

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Assistenzrobotik und sichere MRKTaktile Sensorik an Robotern

Geometrieadaptierte Taktilsensoren mit stoßdämpfenden Eigenschaften zur sicheren Kollisionserkennung (patentiert)

Kollisionserkennung und berührungsbasierte Interaktion

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Assistenzrobotik und sichere MRKHybride (taktile/kapazitive) Sensorsysteme

Taktile Sensoren und kapazitiveSensoren zur Kollisions- und Annäherungsdetektion

zweistufiges

Sicherheitskonzept

Kollisionserkennung

Annäherungsdetektion

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Assistenzrobotik und sichere MRKWerkzeugabsicherung und Greiferüberwachung

kapazitive Sensoren zur Werkzeugabsicherung drucksensitive Greiferbacken

kapazitive Sensoren erkennen Annäherung an menschliche Hand

Greiferbacken mit taktilen Sensoren ermöglichen

sensibles Greifen

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Assistenzrobotik und sichere MRKDrucksensitive Fußbodenbeläge

• Fußbodenbeläge mit integrierten Taktilsensoren zur Personenlokalisierung und flexiblen Absicherung von Maschinen und Anlagen

Frei definierbare Warn- und Schutzbereiche

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Assistenzrobotik und sichere MRKProjektions- und kamerabasiertes Sensorsystem zur Arbeitsraumüberwachung

Projektor- und Kameratechnik zur Erzeugung und Überwachung von Schutzräumen (patentiert)

Dynamische Änderung der Schutzräume in Form, Position und Größe

Schutzräume werden direkt in die Umgebung projiziert

Verletzungen des Schutzraumes durch Unterbrechungen der Projektionsstrahlen

Hard- (Sicherheit) und Soft- (intuitive Interaktion) Safety

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Assistenzrobotik und sichere MRKSensorische Arbeitsraumüberwachung

• Projektions- und kamerabasiertes Sicherheitssystem zur Arbeitsraumüberwachung mit dynamischen Schutzbereichen

Kombination von Hard- und Softsafety

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Robotergestützte feinfühlige Handführung von schweren Werkstücken

Taktilsensorik als Zustimmschalter (3-stufig), Zweihandsteuerung

Erkennung des Werkstücks mithilfe des Stereokamera-systems

Automatikbetrieb: Arbeitsraumüberwachung durch kamerabasiertes Projektionssystem

Mensch-Roboter-KollaborationWerkerassistenz mit Industrieroboter Handgeführter Roboter/ Sicherheit/ Ergonomie

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Experimentelle Bestimmung der biomechan-ischen Belastungsgrenzen bei Mensch-Roboter-Kollisionen (IFF mit Uniklinik Magdeburg, in Arbeit)

Bestimmung des Trägheitseinflusses bei nachgiebiger und nicht-nachgiebiger Mensch-Roboter-Kollision (klemmende und freie Kollisionen (Auftrag IFA)): Phase I abgeschlossen

Ermittlung der Kollisionsparameter (Kraft/-verlauf, Druckverteilung, Nachlaufweg ...) mit Robotern auf Basis des Kolrobot-Messsystems (IFA)

KAN-Studie 52: Biomechanische Belastungsgrenzen: abgeschlossen

Experimentelle Bestimmung der biomechan-ischen Belastungsgrenzen bei Mensch-Roboter-Kollisionen (IFF mit Uniklinik Magdeburg, in Arbeit)

Bestimmung des Trägheitseinflusses bei nachgiebiger und nicht-nachgiebiger Mensch-Roboter-Kollision (klemmende und freie Kollisionen (Auftrag IFA)): Phase I abgeschlossen

Ermittlung der Kollisionsparameter (Kraft/-verlauf, Druckverteilung, Nachlaufweg ...) mit Robotern auf Basis des Kolrobot-Messsystems (IFA)

KAN-Studie 52: Biomechanische Belastungsgrenzen: abgeschlossen

Sichere Mensch-Roboter-KollaborationForschungsarbeiten Mensch-Roboter-Kollision

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Studie zur Bestimmung der biomech. BelastungsgrenzenMotivation und Ansatz

Methodisch erarbeitete Belastungsgrenzen für alle Körpereinzelbereiche fehlen bis heute

IFF-Konzept: Kollisions-Untersuchungen mit Probanden

Positives Votum der Ethik-Kommission für diese Studie liegt vor

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Studie zur Bestimmung der biomech. Belastungsgrenzen Ziel und Untersuchungsschwerpunkte

Untersuchungen zur Schmerz- und Verletzungseintrittsschwelle

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

Abbruchkritieren: Schwellung oder Hämatom oder mittelstarker Schmerz

Bestimmung der schmerz- und verletzungsrelevanten Einflussgrößen (Geometrie, Fläche, Geschwindigkeit, Masse ..)

Untersuchung der Abhängigkeit zwischen Schmerz-und Verletzungseintritt (Bagatellverletzungen)

Ziel: Erarbeitung einer evaluierten und statistisch signifikanten Schmerz- und Verletzungseintritts-schwellen- Tabelle für dynamische Kollisionen

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Studie zur Bestimmung der biomech. BelastungsgrenzenVersuchsaufbau

(1) Gestell(2) Starres Gegenlager(3) Fixierhilfe(4) Vakuummatte(5) Ramme(6) Stößel mit Drucksensor(7) Zusatzmasse(8) Sperrhebel(9) Kraftsensor(10) Potentiometer

Kollisionsgeometrien (Auswahl)

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Studie zur Bestimmung der biomech. BelastungsgrenzenKonsortium

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

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Biomechanische Belastungsgrenzen für die sichere MRK

Einordnung der Verletzungsschwerekategorie S0In

jury

Sev

erity

Pain Onset

Slight Injury Onset

Severe Injury Onset

Death

S2S1

S0H

area of slight injuries

area of severe injuries

area of very slight injuries

harmless area (no pain/injuries)

≥AIS 1

clas

sific

atio

n ac

cord

ing

to E

N IS

O 1

3849

-1ne

w

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Biomechanische Belastungsgrenzen für die sichere MRKErgebnis: Verteilung der betrachteten Größen

Unterarm Oberarm Schultergürtel Hand

Unterarm Oberarm Schultergürtel Hand

Unterarm Oberarm Schultergürtel Hand

Betrachtung: Maximalkraft, Spitzendruck und Stoßenergie

erste Projektphase mit sieben Probanden abgeschlossen

Ver

wen

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R5)

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Biomechanische Belastungsgrenzen für die sichere MRKErgebnis: Safety-Diagramme mit Sicherheitszonen

Oberhalb der roten Kurve beträgt die

Auftritts-wahrscheinlichkeit von Schwellungen

oder leichten Hämatomen >95%

Unterhalb der grünen Kurve beträgt die

Auftritts-wahrscheinlichkeit von Schwellungen

oder leichten Hämatomen

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Folie 21

Kontakt

Dr. techn. Norbert ElkmannGeschäftsfeldleiter RobotersystemeTelefon 0391 4090-222Fax 0391 4090-93-222 email norbert.elkmann@iff.fraunhofer.de

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