Sichere Mensch-Roboter Kooperation durch Fusion haptischer und kapazitiver Sensorik

Einleitend werden verschiedene Einsatzfälle von Mensch-Roboter Kooperationen beschrieben sowie ein Klassifizierungssystem aufgestellt, um die unterschiedlichen Ausprägungsformen einordnen zu können. Desweiteren wird die Terminologie der Bauteile von Industrierobotern erläutert sowie eine Übersicht über die Gliederung der Dissertation erstellt.Ausgehend von den zur Zeit eingesetzten Systemen zur Absicherung der Interaktion zwischen Mensch und Roboter im industriellen Umfeld und den notwendigen Normen und Vorschriften wird der Stand der Wissenschaft und Technik analysiert. Weiterhin werden die wichtigsten Systeme aus dem Bereich der Forschung zur Mensch-Roboter Kooperation untersucht. Die Auswertung der Konzepte verdeutlicht, daß noch kein System existiert, das den nötigen Anforderungen, insbesondere im Bereich der Sicherheit und Zuverlässigkeit genügt.Basierend auf dem Kleinroboter KR 3 erfolgt eine Riskiobeurteilung. Dazu wird eine Systematik zur Quantifizierung der Gefährdung aufgestellt. Diese wird in Form der übertragbaren Kontaktkraft, die auf der im System gespeicherten kinetischen Energie beruht, dargestellt. Hierbei werden auch die theoretisch maximal möglichen Nachlaufwege untersucht. Darauf aufbauend werden die Anforderungen an ein abgesichertes System und weitere, über den Sicherheitsaspekt hinausgehende Anforderungen, aufgeführt.Auf Grundlage der im vorherigen Kapitel identifizierten Anforderungen werden unterschiedliche Konzepte für eine gefahrlose Mensch-Roboter Kooperation entwickelt. Dazu werden passive Maßnahmen wie:- Reduzierung des Antriebsmomentes,- Eingrenzung der kinetischen Energie durch Reduzierung der Zwischenkreisspannung im Frequenzumrichter des Motors,- Begrenzung der kinetischen Energie durch sichere Geschwindigkeitsüberwachung,- Reduzierung der Kontaktkraft durch eine dampfende Schutzhülle,- Absicherung des Werkzeugs,Überwachungssysteme (basierend auf internen und externen Sensoren) und mögliche Systemreaktionen analysiert. Die verschiedenen Sensorsysteme werden beurteilt und aus den unterschiedlichen Komponenten ein Gesamtsystem zusammengestellt.Die wichtigste Funktion des Gesamtsicherungssystems ist die Überwachung des Robotersystems durch drei Sensorsysteme, die im vorherigen Kapitel ausgewählt wurden:- Kapazitiver NäherungssensorenNach einer Beschreibung der allgemeinen Funktionsweise von kapazitiven Näherungssensoren wird der speziell entwickelte Sensoraufbau erläutert. Weiterhin werden der verwendete Versuchsaufbau zur Validierung des Meßprinzips sowie die Versuchsergebnisse dargestellt.- Taktile FlächensensorikZur Erläuterung der taktilen Flächensensorik wird deren physikalisches Meßprinzip (das Erkennen von Mikroverkrümmungen in Lichtwellenleitern) beschrieben. Desweiteren wird anhand von Testreihen die Funktionalität aufgezeigt.- Auswertung der MotorströmeUm aus den gemessenen Motorströmen Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob eine Kollision zwischen Mensch und Roboter stattgefunden hat, wird ein geeignetes Modell des Antriebsstranges, insbesondere des Reibverhaltens, aufgestellt. Anhand von Messungen wird ein Kollisionsgrenzwerte (Verhältnis der Differenz zwischen gemessenem und berechnetem Motormoment zu dem maximal möglichen Motormoment) bestimmt.Mittels der zuvor entwickelten Teilsysteme wird ein Gesamtsystem aufgebaut, das die zuvor erarbeiteten Anforderungen erfüllt. Um die Zuverlässigkeit des Systems zu belegen, wird das Systemverhalten auf Einzelfehler beschrieben. Der Algorithmus zur Verarbeitung der Sensorinformationen wird als Automat modelliert, der die Grundlage zur Entwicklung der Programmierung bildet.Die Anwendung des Sicherungssystems wird anhand einer Montageapplikation demonstriert. Neben dem kooperativen abgesicherten Nebeneinanderarbeiten von Mensch und Roboter findet