Simulationsbasierte Sicherheitsbewertung leistungs- und kraftbegrenzter Mensch-Roboter-Kollaboration

Abstract

Schutzzaunlose Roboter in direkter Interaktion mit Menschen stellen eine der vielversprechendsten agilen Produktionstechnologien dar. Die Mensch-Roboter-Kollaboration repräsentiert die optimale Nutzung der Stärken beider Beteiligten. Roboter können Personen unterstützen und entlasten, um die Effizienz zu steigern und Ergonomie und Monotonie zu verbessern. Aus der unmittelbaren Nähe der Interakteure können jedoch Herausforderungen für die Gewährleistung der Personensicherheit entstehen. Eine Möglichkeit, die sichere Zusammenarbeit zu gewährleisten, ist die Leistungs- und Kraftbegrenzung der Applikation, sodass bei Kontakt die biomechanischen Grenzen der auf den Menschen übertragenen Kraft- und Druckwerte eingehalten werden. Zur Überprüfung werden die Kontaktwerte in einem kosten- und zeitintensiven Prozess in biomechanischen Messungen erhoben. Bei Nichteinhaltung der Limits erfolgen risikomindernde Maßnahmen wie Reduktion der Geschwindigkeit mit der daraus resultierenden Senkung der Produktivität. Die Konsequenz ist ein nicht ausgeschöpftes Potenzial der kollaborativen Robotik. Zur Optimierung der aktuellen Situation wurde in dieser Dissertation die simulationsbasierte Sicherheitsevaluierung der leistungs- und kraftbegrenzten Mensch-Roboter-Kollaboration untersucht. Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines (teil-)automatisierten Modells zur Überprüfung biomechanischer Grenzwerte. Die größte Herausforderung bestand in der Ambivalenz von Praktikabilität und hinreichend genauer Kontaktmodellierung. Der Fokus der Entwicklung lag auf der Analyse einzelner Evaluierungsschritte und der empirischen Untersuchung von Einflussfaktoren im Falle einer Kollision. Unter Berücksichtigung geltender Standardisierungsdokumente wurden die Kontaktwerte virtueller Kollisionen und physischer Szenarien berechnet. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell ermöglicht eine Evaluierung für unterschiedliche Eingabevarianten, wobei nicht vorhandene Parameter aus bekannten Größen errechnet oder abgeschätzt werden. Dies ermöglicht eine herstellerunabhängige, praktische Anwendbarkeit. In der Evaluierung wurde das Modell für mehrere Szenarien und Eingabevarianten getestet und mit physischen Messungen verglichen. Die Ergebnisse liefern eine gute erste Annäherung; die Abweichungen der berechneten zu den gemessenen Werten liegen vorwiegend innerhalb der Messtoleranz von ± 15 N. In einem ausgewählten Beispiel beträgt die maximale Differenz 5,48 N bei 15 % relativer Abweichung und einer Zeitersparnis von bis zu einer Stunde. Die Effektivität und Anwendbarkeit konnten aufgrund von Interviews mit Fachleuten bestätigt wer-den. Diese Arbeit stellt somit die Basis für die Kommerzialisierung des Modells dar.

Fenceless robots interacting directly with humans are among the most promising agile production technologies. Human-robot collaboration enables the optimal utilization of the strengths of both participants. Robots can assist and relieve humans by increasing efficiency and improving ergonomics and monotony. However, the proximity of the interaction partners raises challenges in ensuring human safety. An option for safe implementation is power and force limiting of the application so that biomechanical limits, maximum values for the force, and pressure transferred to humans are adhered to in the event of contact. In verification, the contact values are determined in biomechanical measurements in a costly and time-consuming process. If the limits are not adhered to, risk-reducing measures are taken, such as a reduction in speed, which reduces productivity. The consequence is an underutilized potential of collaborative robotics. To optimize the current situation, this PhD thesis investigated the simulation-based safety evaluation of power and force limited human-robot collaborations. The work aimed to develop a semi-automated model for verifying biomechanical limits. The biggest challenge was the ambivalence of practicability and sufficiently accurate contact modeling. The development focused on analyzing individual evaluation steps and the empirical investigation of influencing factors in the event of a collision. The impact values of virtual collisions and physical contact scenarios were calculated, considering applicable standardization documents. The model developed in this work enables an evaluation for different input variants, whereby non-existent parameters are calculated or estimated from known variables. This method enables manufacturer-independent, practical applicability. The model was tested for several scenarios and input parameters in the evaluation, and the results were compared with physical measurements. The findings provide a good initial approximation; the deviations between the calculated and measured values are predominantly within the measurement tolerance of ± 15 N. In a selected example, the maximum difference is 5.48 N with a 15 % relative deviation and time saving of up to one hour. Interviews with experts confirmed the effectiveness and applicability. Reflection of the work provides the necessary expansion steps for the commercialization of the model.