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© 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
det
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töß
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R5)
Loka
lisat
ion
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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
[email protected]
Fraunhofer-Institut für Fabrik-betrieb und -automatisierung
IFFSandtorstraße 2239106 Magdeburg