Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration

Vorwort

Inhaltsverzeichnis

Autorenverzeichnis

1 Einführung in die industrielle Robotik mit Mensch-Roboter-Kooperation

1.1 Mensch-Roboter-Kooperation als Trend für die Zukunft der Robotik

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

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

1.4 Literaturverzeichnis

2 Hardwareseitige MRK-Systemgestaltung

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

2.2 Kollaborationen unter Einsatz konventioneller Roboter

2.2.1 Kollaborationsarten

2.2.2 Erweiterte Sicherheitstechnik

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

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

2.5 Literaturverzeichnis

3 Sensortechnik

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

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

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

3.4 Literaturverzeichnis

4 Steuerungstechnik

4.1 Industrielle Steuerungen

4.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)

4.1.2 Bewegungssteuerung

4.1.3 Sichere Steuerung

4.1.4 Sichere Antriebsfunktionen

4.2 Steuerungssimulation

4.2.1 Virtuelle Methoden der digitalen Fabrik

4.2.2 Erweiterung auf die Mensch-Roboter-Kooperation

5 Mensch-Roboter-Interaktion

5.1 Einleitung

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

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

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

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

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

5.7 Literaturverzeichnis

6 Planung, Simulation und Inbetriebnahme

6.1 Stand der Simulationstechnik und der virtuellen Inbetriebnahme

6.1.1 Ziele und Nutzen der Simulation

6.1.2 Roboter- und Arbeitszellensimulationssysteme

6.2 Aufgabenteilung zwischen Mensch und Roboter

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

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 der Positioniergenauigkeit

6.4.5 Automatisierte Greif- und Bahnplanung

6.5 Planung und Simulation von Sicherheit – Sensorsimulation

6.6 Austauschformate, CAx-Werkzeugkette

6.7 Literaturverzeichnis

7 Methoden zur erfolgreichen Einführung von MRK

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

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

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

7.4 Menschzentrierte Einführungsstrategie

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

8 Branchenspezifische Applikationen

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

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

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

8.4 Montage von Großgeräten

8.4.1 Darstellung der Anforderung und Rahmenbedingungen

8.4.2 Konzeptionelle branchenspezifische Lösungsansätze

8.4.3 Illustrierung von Beispielen

8.4.4 Zusammenfassung

8.5 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

8.6 Anwendungsbeispiel: Robotergestützte Systeme in der Medizin

8.6.1 Normativer Rahmen

8.6.2 Einteilung medizinischer Robotersysteme

8.6.3 Umsetzungsbeispiele

8.6.4 Zusammenfassung und Fazit

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

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

9 Entwicklungsrichtungen für aktuelle und zukünftige Anwendungen

9.1 Soft Robotics

9.1.1 Übersicht

9.1.2 Komponenten

9.1.3 Entwurfs- und Beschreibungsmethoden

9.1.4 Anwendungsgebiete

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

Stichwortverzeichnis