Availability: Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration | Technische Universität München

Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration:

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Other Authors:	Müller, Rainer 1963- (Editor), Franke, Jörg 1964- (Editor), Henrich, Dominik 1965- (Editor), Kuhlenkötter, Bernd 1971- (Editor), Raatz, Annika (Editor), Verl, Alexander 1966- (Editor)
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Published:	München Hanser [2019]
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adam_text	Inhaltsverzeichnis Vorwort...................................................................................................................................................... V 1 Einführung in die industrielle Robotik mit Mensch-Roboter-Kooperation .................... 1 1.1 Mensch-Roboter-Kooperation als Trend für die Zukunft der Robotik ..................................... 1 1.2 Einsatzpotenziale und Klassifikation der Mensch-Roboter-Kooperation................................. 1.2.1 Automatisierungspotenzial durch MRK-Anwendungen.............................................. 1.2.2 Formen der Mensch-Roboter-Kooperation................................................................... 1.2.3 Beispielapplikationen mit Mensch-Roboter-Kooperation............................................ 4 4 6 8 1.3 Robotersicherheit ..................................................................................................................... 1.3.1 Anlagensicherheit und Risikobeurteilung für Robotersysteme ................................. 1.3.2 Zielkonflikt zwischen Produktivität und Sicherheit .................................................. 1.3.3 Unfallanalyse in der Industrierobotik......................................................................... 1.3.4 Sicherheitsvorgaben für MRK-Systeme in der Normung............................................ 1.3.5 Sicherheitsstrategien in der direkten physischen MRK ............................................ 1.3.6 Kollisionsfolgenabschätzung in der Robotik............................................................... 1.3.7 Bewertungsstrategie zur Steuerung des Verletzungspotenzials in MRK-Anwendungen ................................................................................................ 14 14 15 16 19 21 23 Literaturverzeichnis ................................................................................................................. 32 1.4 2 Hardwareseitige MRK-Systemgestaltung ........................... 28 .............................................. 37 2.1 Grundlagen der Industrierobotik ............................................................................................ 2.1.1 Aufbau der Mechanik .................................................................................................. 2.1.2 Sicherheitstechnik im und am Roboter....................................................................... 2.1.3 Programmierung von IR.............................................................................................. 37 38 40 41 2.2 Kollaborationen unter Einsatz konventioneller Roboter.......................................................... 2.2.1 Kollaborationsarten...................................................................................................... 2.2.2 Erweiterte Sicherheitstechnik .................................................................................... 44 44 46 2.3 Kollaborationsfähige Roboter.................................................................................................... 2.3.1 Biomechanische Grenzen............................................................................................ 2.3.2 Anwendungsbereiche von kollaborationsfähigen Robotern ...................................... 2.3.3 Sicherheitstechnik in kollaborationsfähigen Robotern .............................................. 2.3.4 Systeme zur Unterstützung bei der Programmierung von kollaborationsfähigen Robotern .......................................................................... 48 48 49 50 59 VII Inhaltsverzeichnis 3 4 5 ѴПІ 2.4 Peripherie ................................................................................................................................. 2.4.1 Endeffektoren als Bestandteil von MRK-Systemen .................................................... 2.4.2 Greifer - Grundlagen .................................................................................................. 2.4.3 MRK-Greifsysteme und Schraubsysteme .................................................................... 2.4.4 Neuartige Greifertypen................................................................................................ 60 62 62 64 67 2.5 Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 69 Sensortechnik ................................................................................................................................. 71 3.1 Sensortechnik als Grundlage für die Mensch-Roboter-Kooperation ....................................... 3.1.1 Messaufgaben für die Mensch-Roboter-Kooperation.................................................. 3.1.2 Physikalische Sensoreffekte, Sensorsysteme und Signalverarbeitung in MRK-Systemen ........................................................................................................ 3.1.3 Messunsicherheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei Sensoren............................... 71 71 3.2 Sensoren zur Messung der Zustandsgrößen der Umgebung (externe Sensoren) ................. 3.2.1 Resistive Sensoren........................................................................................................ 3.2.2 Kapazitive Sensoren .................................................................................................... 3.2.3 Induktive Sensoren...................................................................................................... 3.2.4 Akustische Sensoren.................................................................................................... 3.2.5 Optische Sensoren........................................................................................................ 3.2.6 Pneumatische Sensoren .............................................................................................. 3.2.7 Radarsensoren.............................................................................................................. 3.2.8 Bioelektrische Sensoren.............................................................................................. 77 77 79 82 83 85 93 96 98 3.3 Sensoren zur Messung der inneren Zustandsgrößen eines Robotersystems (interne Sensoren) 3.3.1 Kraft-und Momentenmessung..................................................................................... 3.3.2 Positions-, Weg-und Winkelmessung......................................................................... 3.3.3 Beschleunigungs-und Drehratenmessung.................................................................. 102 102 108 109 3.4 Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 112 73 75 Steuerungstechnik......................................................................................................................... 117 4.1 Industrielle Steuerungen.......................................................................................................... 4.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)................................................................ 4.1.2 Bewegungssteuerung .................................................................................................. 4.1.3 Sichere Steuerung........................................................................................................ 4.1.4 Sichere Antriebsfunktionen......................................................................................... 117 118 120 122 124 4.2 Steuerungssimulation................................................................................................................ 133 4.2.1 Virtuelle Methoden der digitalen Fabrik......................................................... 133 4.2.2 Erweiterung auf die Mensch-Roboter-Kooperation...................................................... 166 Mensch-Roboter-Interaktion........................................................................................................ 169 5.1 Einleitung................................................................................ 169 5.2 Modalitäten zur Interaktion...................................................................................................... 5.2.1 Unimodale Interaktion unter Nutzung auditiver Schnittstellen................................. 5.2.2 Unimodale Interaktion unter Nutzung taktiler Schnittstellen ................................... 5.2.3 Unimodale Interaktion unter Nutzung visueller Schnittstellen................................. 5.2.4 Multimodale Interaktion unter Nutzung verschiedener Schnittstellen..................... 173 174 177 178 179 Inhaltsverzeichnis 6 5.3 Programmierung von Robotern................................................................................................ 5.3.1 Roboter-zentrierte Programmierung........................................................................... 5.3.2 Aufgaben-zentrierte Programmierung ....................................................................... 5.3.3 Führungs-zentrierte Programmierung....................................................................... 5.3.4 Benutzer-zentrierte Programmierung......................................................................... 182 183 189 195 199 5.4 Erkennung von möglichen Mensch/Roboter-Kollisionen ........................................................ 5.4.1 Grundlagen................................................................................................................... 5.4.2 Binäre Lokalisation...................................................................................................... 5.4.3 Lokalisation mit Einzelsensor .................................................................................... 5.4.4 Lokalisation mit Sensorfusion .................................................................................... 5.4.5 Vergleich der Methoden .............................................................................................. 203 206 208 210 222 235 5.5 Reaktion auf mögliche Mensch-Roboter-Kollisionen............................................................... 5.5.1 Kollisionsentschärfung................................................................................................ 5.5.2 Geschwindigkeitsregelung.......................................................................................... 5.5.3 Lokale Ausweichbewegung.......................................................................................... 5.5.4 Globale Ausweichbewegung........................................................................................ 5.5.5 Vergleich der Verfahren .............................................................................................. 5.5.6 Systemstudie SIMERO.................................................................................................. 235 237 240 245 249 254 255 5.6 Koordinierung hybrider Mensch-Roboter-Teams..................................................................... 5.6.1 Grundlagen................................................................................................................... 5.6.2 Statische Team-Organisation ...................................................................................... 5.6.3 Semi-dynamische Team-Organisation......................................................................... 5.6.4 Dynamische Team-Organisation ................................................................................ 260 261 265 267 269 5.7 Literaturverzeichnis................................................................................................................. 272 Planung, Simulation und Inbetriebnahme.............................................................................. 277 6.1 Stand der Simulationstechnik und der virtuellen Inbetriebnahme........................................ 277 6.1.1 Ziele und Nutzen der Simulation................................................................................ 277 6.1.2 Roboter-und Arbeitszellensimulationssysteme......................................................... 279 6.2 Aufgabenteilung zwischen Mensch und Roboter..................................................................... 279 6.3 Prozesssimulation.......................................................................................... 6.3.1 Einordnung in bestehende Definitionen .................................................................... 6.3.2 Softwaresysteme zur ganzheitlichen Simulation von MRK-Produktionsprozessen .. 6.3.3 Innovative Ansätze zur virtuellen Auslegung von Mensch-Roboter-Umgebungen ... 284 284 287 293 6.4 Von der Simulation zur Inbetriebnahme ......................................................... 6.4.1 Virtuelle Inbetriebnahme mittels durchgängiger Planungskette............................... 6.4.2 Unzureichende Absolutgenauigkeit von Industrierobotern ...................................... 6.4.3 Steigerung der Absolutgenauigkeit durch Kalibriermethoden.................................. 6.4.4 Lokale kameragestützte Referenzierung zur Steigung derPositioniergenauigkeit .. 6.4.5 Automatisierte Greif-und Bahnplanung..................................................................... 297 297 299 300 301 301 6.5 Planung und Simulation von Sicherheit - Sensorsimulation.................................................. 303 6.6 Austauschformate, CAx-Werkzeugkette.................................................................................. 305 6.7 Literaturverzeichnis ................................................................................................................. 308 IX Inhaltsverzeichnis 7 Methoden zur erfolgreichen Einführung von MRK ................................................................ 311 7.1 Technische Randbedingungen.................................................................................................. 7.1.1 CE-Zertifizierung.......................................................................................................... 7.1.2 Risikobeurteilung ........................................................................................................ 7.1.3 Sicherheitsfunktionen für die Mensch-Roboter-Kollaboration ............................. 7.1.4 Durchführung einer Kraftmessung............................................................................. 311 311 316 316 320 7.2 Planung einer MRK-Anwendung.............................................................................................. 7.2.1 Methodik von der Prozessanalyse zum Betriebsmittel.............................................. 7.2.2 Dokumentation der Anforderungen ........................................................................... 7.2.3 Morphologischer Kasten.............................................................................................. 7.2.4 Anforderungen.............................................................................................................. 7.2.5 Beurteilung der Betriebsmittel..................................................................................... 7.2.6 Bewertung der Ergonomie bei MRK-Anwendungen .................................................... 323 323 323 324 326 330 332 7.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung................................................................................................ 7.3.1 Einordnung von MRK im Kontext der Wirtschaftlichkeit von Produktionsanlagen .. 7.3.2 Wirtschaftliche Vorteile von MRK im Vergleich zu klassischen Formen der Automatisierung......................................................... 7.3.3 Wirtschaftliche Vorteile von MRK entlang des Lebenszyklus von Roboteranlagen .. 7.3.4 Anwendungsbeispiele.................................................................................................. 7.3.5 Entlohnung.................................................................................................................... 7.3.6 Ausblick .................................................................................. 334 335 Menschzentrierte Einführungsstrategie...............................і.................................................. 7.4.1 Bedürfnisse des Menschen und Widerstände gegenüber Veränderung ................... 7.4.2 Durchführung von Veränderungsprozessen und Steigerung der Mitarbeiterakzeptanz für MRK-Lösungen ............................................................ 7.4.3 Akzeptanzfaktoren für die Einführung von MRK-Systemen....................................... 7.4.4 Best Practice.................................................................................................................. 7.4.5 Zusammenfassung und Chancen für die Zukunft...................................................... 347 347 7.4 8 X 337 338 340 343 345 349 352 354 358 Branchenspezifische Applikationen........................................................................................... 361 8.1 MRK-Applikationen in der Automobilmontage ........................................................................ 8.1.1 Darstellung der Anforderungen und Rahmenbedingungen....................................... 8.1.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze................................................ 8.1.3 Illustrierung von Beispielen......................................................................................... 8.1.4 Zusammenfassung und Fazit....................................................................................... 361 361 364 366 376 8.2 Flexible Automatisierung in der Elektronikmontage mithilfe von MRK-Systemen............... 8.2.1 Rahmenbedingungen und Herausforderungen in der Elektronikmontage................ 8.2.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze................................................ 8.2.3 Beispielhafte Anwendungen von MRK-Systemen in der Elektronikproduktion........ 377 377 379 380 8.3 Anwendungsbeispiel: Montage von Hydraulikventilen .......................................................... 8.3.1 Darstellung der Anforderungen und Rahmenbedingungen....................................... 8.3.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze................................................ 8.3.3 Illustrierung von Beispielen......................................................................................... 386 386 387 391 8.4 Montage von Großgeräten ........................................................................................................ 394 8.4.1 Darstellung der Anforderung und Rahmenbedingungen ................................ 394 8.4.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze................................................ 396 Inhaltsverzeichnis 8.4.3 8.4.4 8.5 9 Illustrierung von Beispielen........................................................................................ 396 Zusammenfassung........................................................................................................ 398 Anwendungsbeispiel: Intralogistik.......................................................................................... 8.5.1 Beweggründe für den MRK-Einsatz in der Intralogistik ............................................ 8.5.2 Umsetzungsbeispiel zur Autonomisierung des Materialflusses im Hauptwertstrom .. 8.5.3 Umsetzungsbeispiel zur automatisierten Logistik von Verbrauchs- und Verbauteilen............................................................................... 8.5.4 Umsetzungsbeispiel zur Effizienzsteigerung der Kommissionierung....................... 8.5.5 Zusammenfassung und Fazit...................................................................................... 399 399 400 401 402 404 8.6 Anwendungsbeispiel: Robotergestützte Systeme inder Medizin............................................. 8.6.1 Normativer Rahmen .................................................................................................... 8.6.2 Einteilung medizinischer Robotersysteme ................................................................. 8.6.3 Umsetzungsbeispiele.................................................................................................... 8.6.4 Zusammenfassung und Fazit...................................................................................... 404 405 406 407 410 8.7 Anwendungsbeispiel: Servicerobotik im Haushalt ............................................................... 8.7.1 Anforderungen und Rahmenbedingungen................................................................. 8.7.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungen ......................................................... 8.7.3 Umsetzungsbeispiele.................................................................................................... 8.7.4 Zusammenfassung und Fazit...................................................................................... 412 412 414 416 417 8.8 Individuelle und aufgabenabhängige Unterstützung bei physisch beanspruchenden Tätigkeiten durch anziehbare Systeme.................................................................................... 8.8.1 Einführung................................................................................................................... 8.8.2 Anforderungen und Rahmenbedingungen................................................................. 8.8.3 Exemplarische Systemansätze.................................................................................... 8.8.4 Entwicklungsvorgehen für körpergetragene physische Unterstützungssysteme .... 8.8.5 Potenziale..................................................................................................................... 418 418 420 423 423 425 Entwicklungsrichtungen für aktuelle und zukünftige Anwendungen ............................. 429 9.1 Soft Robotics ............................................................................................................................. 9.1.1 Übersicht ................................................................................................................... 9.1.2 Komponenten................................................... 9.1.3 Entwurfs-und Beschreibungsmethoden..................................................................... 9.1.4 Anwendungsgebiete .................................................................................................... 429 429 430 435 438 9.2 Software für die Roboterinteraktion mit dem LBR iiwa ........................ 9.2.1 Einführung................................................................................................................... 9.2.2 Eine Quelltext-offene Zustandsmaschine für die sichere MRK.................................. 9.2.3 OpenIGTLink-Schnittstelle .......................................................................................... 9.2.4 Medizinische Therapieplanung mit 3D-Slicer ........................................................... 9.2.5 Teleoperation mittels ROS-Schnittstelle und OpenIGTLink........................................ 9.2.6 Tablet-PC, Smartwatch und Mikro-PC-basierter Zustandswechsler am Endeffektor ... 9.2.7 Zusammenfassung und Ausblick................................................................................ 9.2.8 Literaturverzeichnis .................................................................................................... 443 443 443 443 444 447 447 449 450 Stichwortverzeichnis ............................................................................................................................. 451 XI
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