Rainer Müller, Jörg Franke, Dominik Henrich, Bernd Kuhlenkötter, Annika Raatz, Alexander Verl
Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration
Vorwort
6
Inhaltsverzeichnis
8
Autorenverzeichnis
14
1 Einführung in die industrielle Robotik mit Mensch-Roboter-Kooperation
18
1.1 Mensch-Roboter-Kooperation als Trend für die Zukunft der Robotik
18
1.2 Einsatzpotenziale und Klassifikation der Mensch-Roboter-Kooperation
21
1.2.1 Automatisierungspotenzial durch MRK-Anwendungen
21
1.2.2 Formen der Mensch-Roboter-Kooperation
23
1.2.3 Beispielapplikationen mit Mensch-Roboter-Kooperation
25
1.3 Robotersicherheit
31
1.3.1 Anlagensicherheit und Risikobeurteilung für Robotersysteme
31
1.3.2 Zielkonflikt zwischen Produktivität und Sicherheit
32
1.3.3 Unfallanalyse in der Industrierobotik
33
1.3.4 Sicherheitsvorgaben für MRK-Systeme in der Normung
36
1.3.5 Sicherheitsstrategien in der direkten physischen MRK
38
1.3.6 Kollisionsfolgenabschätzung in der Robotik
40
1.3.7 Bewertungsstrategie zur Steuerung des Verletzungspotenzials in MRK-Anwendungen
45
1.4 Literaturverzeichnis
49
2 Hardwareseitige MRK-Systemgestaltung
54
2.1 Grundlagen der Industrierobotik
54
2.1.1 Aufbau der Mechanik
55
2.1.2 Sicherheitstechnik im und am Roboter
57
2.1.3 Programmierung von IR
58
2.2 Kollaborationen unter Einsatz konventioneller Roboter
61
2.2.1 Kollaborationsarten
61
2.2.2 Erweiterte Sicherheitstechnik
63
2.3 Kollaborationsfähige Roboter
65
2.3.1 Biomechanische Grenzen
65
2.3.2 Anwendungsbereiche von kollaborationsfähigen Robotern
66
2.3.3 Sicherheitstechnik in kollaborationsfähigen Robotern
67
2.3.4 Systeme zur Unterstützung bei der Programmierung von kollaborationsfähigen Robotern
76
2.4 Peripherie
77
2.4.1 Endeffektoren als Bestandteil von MRK-Systemen
79
2.4.2 Greifer – Grundlagen
79
2.4.3 MRK-Greifsysteme und Schraubsysteme
81
2.4.4 Neuartige Greifertypen
84
2.5 Literaturverzeichnis
86
3 Sensortechnik
88
3.1 Sensortechnik als Grundlage für die Mensch-Roboter-Kooperation
88
3.1.1 Messaufgaben für die Mensch-Roboter-Kooperation
88
3.1.2 Physikalische Sensoreffekte, Sensorsysteme und Signalverarbeitung in MRK-Systemen
90
3.1.3 Messunsicherheit, Zuverlässigkeit und Sicherheit bei Sensoren
92
3.2 Sensoren zur Messung der Zustandsgrößen der Umgebung (externe Sensoren)
94
3.2.1 Resistive Sensoren
94
3.2.2 Kapazitive Sensoren
96
3.2.3 Induktive Sensoren
99
3.2.4 Akustische Sensoren
100
3.2.5 Optische Sensoren
102
3.2.6 Pneumatische Sensoren
110
3.2.7 Radarsensoren
113
3.2.8 Bioelektrische Sensoren
115
3.3 Sensoren zur Messung der inneren Zustandsgrößen eines Robotersystems (interne Sensoren)
119
3.3.1 Kraft- und Momentenmessung
119
3.3.2 Positions-, Weg- und Winkelmessung
125
3.3.3 Beschleunigungs- und Drehratenmessung
126
3.4 Literaturverzeichnis
129
4 Steuerungstechnik
134
4.1 Industrielle Steuerungen
134
4.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
135
4.1.2 Bewegungssteuerung
137
4.1.3 Sichere Steuerung
139
4.1.4 Sichere Antriebsfunktionen
141
4.2 Steuerungssimulation
150
4.2.1 Virtuelle Methoden der digitalen Fabrik
150
4.2.2 Erweiterung auf die Mensch-Roboter-Kooperation
183
5 Mensch-Roboter-Interaktion
186
5.1 Einleitung
186
5.2 Modalitäten zur Interaktion
190
5.2.1 Unimodale Interaktion unter Nutzung auditiver Schnittstellen
191
5.2.2 Unimodale Interaktion unter Nutzung taktiler Schnittstellen
194
5.2.3 Unimodale Interaktion unter Nutzung visueller Schnittstellen
195
5.2.4 Multimodale Interaktion unter Nutzung verschiedener Schnittstellen
196
5.3 Programmierung von Robotern
199
5.3.1 Roboter-zentrierte Programmierung
200
5.3.2 Aufgaben-zentrierte Programmierung
206
5.3.3 Führungs-zentrierte Programmierung
212
5.3.4 Benutzer-zentrierte Programmierung
216
5.4 Erkennung von möglichen Mensch/Roboter-Kollisionen
220
5.4.1 Grundlagen
223
5.4.2 Binäre Lokalisation
225
5.4.3 Lokalisation mit Einzelsensor
227
5.4.4 Lokalisation mit Sensorfusion
239
5.4.5 Vergleich der Methoden
252
5.5 Reaktion auf mögliche Mensch-Roboter-Kollisionen
252
5.5.1 Kollisionsentschärfung
254
5.5.2 Geschwindigkeitsregelung
257
5.5.3 Lokale Ausweichbewegung
262
5.5.4 Globale Ausweichbewegung
266
5.5.5 Vergleich der Verfahren
271
5.5.6 Systemstudie SIMERO
272
5.6 Koordinierung hybrider Mensch-Roboter-Teams
277
5.6.1 Grundlagen
278
5.6.2 Statische Team-Organisation
282
5.6.3 Semi-dynamische Team-Organisation
284
5.6.4 Dynamische Team-Organisation
286
5.7 Literaturverzeichnis
289
6 Planung, Simulation und Inbetriebnahme
294
6.1 Stand der Simulationstechnik und der virtuellen Inbetriebnahme
294
6.1.1 Ziele und Nutzen der Simulation
294
6.1.2 Roboter- und Arbeitszellensimulationssysteme
296
6.2 Aufgabenteilung zwischen Mensch und Roboter
296
6.3 Prozesssimulation
301
6.3.1 Einordnung in bestehende Definitionen
301
6.3.2 Softwaresysteme zur ganzheitlichen Simulation von MRK-Produktionsprozessen
304
6.3.3 Innovative Ansätze zur virtuellen Auslegung von Mensch-Roboter-Umgebungen
310
6.4 Von der Simulation zur Inbetriebnahme
314
6.4.1 Virtuelle Inbetriebnahme mittels durchgängiger Planungskette
314
6.4.2 Unzureichende Absolutgenauigkeit von Industrierobotern
316
6.4.3 Steigerung der Absolutgenauigkeit durch Kalibriermethoden
317
6.4.4 Lokale kameragestützte Referenzierung zur Steigung der Positioniergenauigkeit
318
6.4.5 Automatisierte Greif- und Bahnplanung
318
6.5 Planung und Simulation von Sicherheit – Sensorsimulation
320
6.6 Austauschformate, CAx-Werkzeugkette
322
6.7 Literaturverzeichnis
325
7 Methoden zur erfolgreichen Einführung von MRK
328
7.1 Technische Randbedingungen
328
7.1.1 CE-Zertifizierung
328
7.1.2 Risikobeurteilung
333
7.1.3 Sicherheitsfunktionen für die Mensch-Roboter-Kollaboration
333
7.1.4 Durchführung einer Kraftmessung
337
7.2 Planung einer MRK-Anwendung
340
7.2.1 Methodik von der Prozessanalyse zum Betriebsmittel
340
7.2.2 Dokumentation der Anforderungen
340
7.2.3 Morphologischer Kasten
341
7.2.4 Anforderungen
343
7.2.5 Beurteilung der Betriebsmittel
347
7.2.6 Bewertung der Ergonomie bei MRK-Anwendungen
349
7.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
351
7.3.1 Einordnung von MRK im Kontext der Wirtschaftlichkeit von Produktionsanlagen
352
7.3.2 Wirtschaftliche Vorteile von MRK im Vergleich zu klassischen Formen der Automatisierung
354
7.3.3 Wirtschaftliche Vorteile von MRK entlang des Lebenszyklus von Roboteranlagen
355
7.3.4 Anwendungsbeispiele
357
7.3.5 Entlohnung
360
7.3.6 Ausblick
362
7.4 Menschzentrierte Einführungsstrategie
364
7.4.1 Bedürfnisse des Menschen und Widerstände gegenüber Veränderung
364
7.4.2 Durchführung von Veränderungsprozessen und Steigerung der Mitarbeiterakzeptanz für MRK-Lösungen
366
7.4.3 Akzeptanzfaktoren für die Einführung von MRK-Systemen
369
7.4.4 Best Practice
371
7.4.5 Zusammenfassung und Chancen für die Zukunft
375
8 Branchenspezifische Applikationen
378
8.1 MRK-Applikationen in der Automobilmontage
378
8.1.1 Darstellung der Anforderungen und Rahmenbedingungen
378
8.1.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze
381
8.1.3 Illustrierung von Beispielen
383
8.1.4 Zusammenfassung und Fazit
393
8.2 Flexible Automatisierung in der Elektronikmontage mithilfe von MRK-Systemen
394
8.2.1 Rahmenbedingungen und Herausforderungen in der Elektronikmontage
394
8.2.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze
396
8.2.3 Beispielhafte Anwendungen von MRK-Systemen in der Elektronikproduktion
397
8.3 Anwendungsbeispiel: Montage von Hydraulikventilen
403
8.3.1 Darstellung der Anforderungen und Rahmenbedingungen
403
8.3.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze
404
8.3.3 Illustrierung von Beispielen
408
8.4 Montage von Großgeräten
411
8.4.1 Darstellung der Anforderung und Rahmenbedingungen
411
8.4.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze
413
8.4.3 Illustrierung von Beispielen
413
8.4.4 Zusammenfassung
415
8.5 Anwendungsbeispiel: Intralogistik
416
8.5.1 Beweggründe für den MRK-Einsatz in der Intralogistik
416
8.5.2 Umsetzungsbeispiel zur Autonomisierung des Materialflusses im Hauptwertstrom
417
8.5.3 Umsetzungsbeispiel zur automatisierten Logistik von Verbrauchs- und Verbauteilen
418
8.5.4 Umsetzungsbeispiel zur Effizienzsteigerung der Kommissionierung
419
8.5.5 Zusammenfassung und Fazit
421
8.6 Anwendungsbeispiel: Robotergestützte Systeme in der Medizin
421
8.6.1 Normativer Rahmen
422
8.6.2 Einteilung medizinischer Robotersysteme
423
8.6.3 Umsetzungsbeispiele
424
8.6.4 Zusammenfassung und Fazit
427
8.7 Anwendungsbeispiel: Servicerobotik im Haushalt
429
8.7.1 Anforderungen und Rahmenbedingungen
429
8.7.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungen
431
8.7.3 Umsetzungsbeispiele
433
8.7.4 Zusammenfassung und Fazit
434
8.8 Individuelle und aufgabenabhängige Unterstützung bei physisch beanspruchenden Tätigkeiten durch anziehbare Systeme
435
8.8.1 Einführung
435
8.8.2 Anforderungen und Rahmenbedingungen
437
8.8.3 Exemplarische Systemansätze
440
8.8.4 Entwicklungsvorgehen für körpergetragene physische Unterstützungssysteme
440
8.8.5 Potenziale
442
9 Entwicklungsrichtungen für aktuelle und zukünftige Anwendungen
446
9.1 Soft Robotics
446
9.1.1 Übersicht
446
9.1.2 Komponenten
447
9.1.3 Entwurfs- und Beschreibungsmethoden
452
9.1.4 Anwendungsgebiete
455
9.2 Software für die Roboterinteraktion mit dem LBR iiwa
460
9.2.1 Einführung
460
9.2.2 Eine Quelltext-offene Zustandsmaschine für die sichere MRK
460
9.2.3 OpenIGTLink-Schnittstelle
460
9.2.4 Medizinische Therapieplanung mit 3D-Slicer
461
9.2.5 Teleoperation mittels ROS-Schnittstelle und OpenIGTLink
464
9.2.6 Tablet-PC, Smartwatch und Mikro-PC-basierter Zustandswechsler am Endeffektor
464
9.2.7 Zusammenfassung und Ausblick
466
9.2.8 Literaturverzeichnis
467
Stichwortverzeichnis
468
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