Safety flange for collaborative work with industrial robots

Abstract

Die Automatisierung schreitet durch vermehrten Einsatz von immer ausgereifteren und kostengünstigeren Robotern in der Industrie, wie auch im Privatbereich, stetig voran. Schwere und gefährliche Arbeiten in der Industrie werden zunehmends von Robotern anstelle von Menschen ausgeführt. Viele Arbeitsvorgänge erfordern aber weiterhin ein menschliches Eingreifen, wodurch ein sicheres Zusammenarbeiten von Mensch und Roboter gewährleistet sein muss. Solche Roboter, die ohne Sicherheitszonen Hand in Hand mit Personen zusammenarbeiten, sind der Gruppe der kollaborierenden Roboter bzw. Assistenzroboter zuzuordnen und müssen entsprechende Sicherheitsnormen erfüllen. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung, der Prototypenbau und die Evaluierung eines Sicherheits-Flansches für einen kollaborativen Industrieroboter, um eine geforderte Kraftbegrenzung zu erreichen und biomechanische Grenzwerte nicht zu überschreiten. Dieser Sicherheits-Anschluss soll eine lösbare Verbindung zwischen dem Roboter und einem Endeffektor (Werkzeug oder Werkstück) herstellen und bei einer einstellbaren Maximalkraft nachgeben, um im Fall einer Kollision mit einem Menschen Verletzungen zu vermeiden. Der Auslösemechanismus des Flansches wird passiv, mithilfe von Permanentmagneten realisiert. Um die Bewegung des Roboters nach dem Überschreiten der Maximalkraft und damit Auslösen der Kupplung zu stoppen, wird die von der Firma Blue Danube Robotics GmbH entwickelte taktile Hülle AirSkin als Sensor und somit als aktiver Sicherheitsmechanismus verwendet.

Due to continuously more sophisticated and cheaper robots, the automation technology is constantly proceeding in the industry and private sectors. Heavy and dangerous tasks are increasingly handled by robots instead of human workers. Many work processes, however, still need a human interaction which makes a safe human-robot-collaboration indispensable. Such robots, that are working hand in hand with humans without any safety zones belong to the group of collaborative robots, also known as assistance robots, and have to comply with corresponding safety standards. The goal of this master thesis is the development, prototyping and evaluation of a safety flange for a collaborative industry robot to achieve a force limitation that undercuts the allowed biomechanical force limits of a human being. The task of the safety connector is to provide a rigid connection between the robot and an end-effector (tool or processed object), that gives way in case of a collision that exceeds an adjustable maximum force to avoid personnel injuries. The release mechanism is designed to function passively by using permanent magnets. To stop the movement of the robot after the clutch is released, the tactile sensor AirSkin of the company Blue Danube Robotics GmbH, is used as active safety measure.