Handbuch Mensch-Roboter-Kollaboration
von: Rainer Müller, Jörg Franke, Dominik Henrich, Bernd Kuhlenkötter, Annika Raatz, Alexander Verl
Carl Hanser Fachbuchverlag, 2019
ISBN: 9783446453760
Sprache: Deutsch
770 Seiten, Download: 141211 KB
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| 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 |
