BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Technologie zur Planung und Überwachung von Mensch-Roboter-Kollaborationsabläufen. Unter Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) wird das

Zusammenwirken von Mensch und Roboter in einem

gemeinsamen Arbeitsbereich verstanden. Der Teil des Arbeitsbereichs, in dem sich der Bewegungsbereich eines Roboters und der Zugriffsbereich eines Menschen

überlagern, wird als Kollaborationsbereich bezeichnet.

Unter Kollaborativbetrieb wird ein Zustand verstanden, in dem ein oder mehrere für einen bestimmten Zweck

entwickelte Roboter (Manipulatoren) in direkter, d.h. interagierender Kooperation mit einem Menschen

zusammenarbeiten.

Die Technologie umfasst zumindest ein

Überwachungsverfahren sowie ein Überwachungssystem und die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls zur Bestimmung von zulässigen Geschwindigkeiten für eine tatsächlich verfolgte Bewegungsbahn eines Manipulators.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

Technologie aufzuzeigen, mit der die Überwachung von einem oder mehreren Robotern (Manipulatoren) im

Kollaborativbetrieb verbessert werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen in den jeweiligen eigenständigen Ansprüchen. Die Planung und Einrichtung des Manipulators für den Kollaborativbetrieb kann anhand eines Planungsverfahrens und/oder mittels eines Planungssystems erfolgen, die ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Offenbarung sind. Es wird im Folgenden zwischen einer Planung, einem eigentlichen Betrieb und einer Überwachung des Betriebs eines Manipulators unterschieden. Ferner wird zwischen dem hier vorgesehenen Kollaborativbetrieb mit

interagierender Zusammenarbeit von Mensch und Manipulator einerseits und dem von früheren Anwendungen bekannten Kooperationsbetrieb unterschieden. Bei einem

Kooperationsbetrieb sind in der Regel Trenneinrichtungen vorgesehen, die den Arbeitsraum eines Manipulators vom Anwesenheits- oder Zugriffsraum eines Menschen

vollständig oder überwiegend separieren. Beim

Kooperationsbetrieb können zwar definierte

Überschneidungspunkte bzw. begrenzte Überlappungsbereiche vorgesehen sein, an denen zeitweise entweder der

Manipulator oder ein Mensch agieren oder auch eine klar zeitlich oder räumlich begrenzte Überschneidung der

Manipulatortätigkeit und der menschlichen Tätigkeit vorgesehen ist. Bspw. können Teile von einem Menschen für die Bearbeitung oder Wiederaufnahme durch einen

Manipulator an dafür vorgesehenen Bereichen abgelegt werden. Jedoch verfügen die Arbeitszellen für einen

Kooperativbetrieb in der Regel über

Sicherheitseinrichtungen, die eine Abschaltung oder extreme Geschwindigkeitsbegrenzung des Manipulators vorsehen, wenn ein direkter Kontakt zwischen dem Menschen und einem Manipulator zu befürchten ist. Beim

Kooperationsbetrieb wird also von einem eher digitalen Bewertungssystem für Mensch-Roboter-Kollisionen

ausgegangen, bei dem quasi jede Berührung als potenziell gefährlich eingestuft wird.

Bei der Mensch-Roboter-Kollaboration ist die direkte Mitarbeit bzw. Zusammenarbeit zwischen einem Menschen und einem Manipulator jedoch erwünscht und erforderlich. Die Vorteile der menschlichen Lösungskompetenz und

Flexibilität sollen mit den Vorteilen der

Manipulatortätigkeit, wie hoher Belastbarkeit und hoher Genauigkeit kombiniert werden. Damit dennoch ein sicheres Zusammenarbeiten gewähreistet ist, soll der Manipulator nur jeweils mit solchen Geschwindigkeiten betrieben werden, dass unzulässige Beeinträchtigungen des Menschen selbst im Falle der Kollision vermieden werden. Diese Geschwindigkeiten werden als zulässig betrachtet. Mit anderen Worten wird eine direkte Berührung zwischen dem Menschen und dem Manipulator während der

Manipulatortätigkeit und insbesondere auch während seiner Bewegung innerhalb der Arbeitszelle explizit zugelassen. Dasselbe gilt für eine Manipulatorbestückung.

Von dem Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung kann im Falle einer unvorhergesehenen Kollision eine

Verletzungsgefahr ausgehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn größere Massen bewegt werden, eine

Kollision mit einer zu hohen Geschwindigkeit auftritt, ein menschliches Körperteil zwischen den Manipulator bzw. der Bestückung und einem anderen Objekt geklemmt oder gequetscht wird, oder eine Kollision mit einem besonders verletzlichen Körperteil oder Körperbereich geschieht. Auch die Kontur des an der Kollision beteiligten Teils, d.h. die in eine Kollision einbezogene Grenzgeometrie, hat Einfluss auf eine Verletzungsgefahr. Dies betrifft einerseits eine Kontur des Manipulators bzw. der

Manipulatorbestückung. Andererseits kann die Kontur eines im Zugriffsbereich des Manipulators angeordneten externen Gegenstands, wie eines Bauteils oder einer

vorrichtungstechnischen Einrichtung, relevant sein, sofern sie an der Kollision beteiligt ist. Dies betrifft besonders den Fall einer Quetschung eines menschlichen Körperteils zwischen einem Manipulator bzw. einer

Manipulatorbestückung und dem externen Gegenstand.

Im Gegensatz zu klassischen Anwendungen von

Industrierobotern ist bei der Mensch-Roboter- Kollaboration eine länger andauernde Anwesenheit von mindestens einem Menschen im Bewegungsraum des mindestens einen Manipulators vorgesehen und es gibt keine strikte zeitliche oder örtliche Separation der Tätigkeitsbereiche von Mensch und Manipulator. Vielmehr überlappen sich der Bewegungsraum des Manipulators und der Zugriffsbereich des Menschen. Der Überlappungsbereich wird als

Kollaborationsbereich bezeichnet. Er kann in mehrere Zonen unterteilt sein.

Ein Planungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung dient zur Einrichtung mindestens eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen. Das Verfahren ist somit ein Arbeitsverfahren, das beispielsweise während der Einrichtung oder Neuanpassung einer

industriellen Produktionsanlage durchgeführt werden kann. Es wird bevorzugt automatisiert oder teilautomatisiert auf einem Computersystem ausgeführt. Es kann beispielsweise in Form einer Software umgesetzt sein und Schnittstellen zu einem Manipulator bzw. zu einer

Manipulatorsteuerung aufweisen. Durch das

Planungsverfahren wird ein Bewegungsplan für die

Tätigkeit eines Manipulators vorgegeben. Die Tätigkeit betrifft eine Kollaboration ( interagierende

Zusammenarbeit) mit einem Menschen. Der Ort der

Zusammenarbeit zwischen Mensch und Manipulator ist räumlich festlegbar und in sog. Mensch-Roboter- Kollaborationszonen (MRK-Zonen) einteilbar.

Die Bestimmung von unterscheidbaren MRK-Zonen bietet die Möglichkeit, eine Planung bzw. Überwachung einer

Kollaborationstätigkeit durchzuführen, bei der die möglichen bzw. vorgesehen Aufenthaltspositionen und

Haltungen eines oder mehrerer Menschen berücksichtigt werden. Es ist also für die Planung oder Überwachung gemäß der vorliegenden Offenbarung nicht erforderlich, dass die tatsächliche Ist-Position und/oder Haltung eines Menschen während des Manipulator- bzw. Fertigungsbetriebs konkret bekannt oder vorgegeben ist oder messtechnisch erfasst wird. Durch die Zonen-Definition kann ein

Kollaborativbetrieb für alle vorgesehenen Betriebs- bzw. Fertigungszustände in sicherer Weise geplant und während des Betriebs überwacht werden, um eine robuste Basis- Absicherung zu gewährleisten. Darüber hinaus können aber natürlich weitere SicherheitSeinrichtungen vorgesehen sein, die auch bei unerwünschten Abweichungen von den vorgesehenen Betriebs- bzw. Fertigungszuständen steuernd auf einen Manipulator einwirken, um Verletzungen oder Störungen zu vermeiden. Solche SicherheitSeinrichtungen können als Ergänzung zur vorliegenden Erfindung eingesetzt werden und bspw. Kamerasysteme umfassen, die eine tatsächliche Position oder Haltung eines oder mehrerer Menschen erfassen und sie können nach gleichen oder ähnlichen Verfahrensschritten maximal zulässige Geschwindigkeiten ermitteln oder zuweisen.

Das Planungsverfahren umfasst zumindest die nachfolgend genannten Schritte, die bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden können. Alternativ können die Schritte teilweise oder vollständig parallelisiert oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden. Die Schritte sind:

• Erfassen eines Layouts eines Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator in Menschen-Robotor- Kollaboration betrieben werden soll. Das Layout wird in einer geordneten Datenstruktur abgelegt,

beispielsweise in Form einer CAD-Datei.

• Kennzeichnung von einem oder mehreren Teilbereichen des Layouts als Mensch-Roboter-Kollaborationszonen;

• Erfassen einer vorgesehenen Manipulatorbestückung für die durchzuführende Tätigkeit. Die

Manipulatorbestückung kann insbesondere ein

Werkzeug, beispielsweise ein GreifWerkzeug, und/oder ein Werkstück umfassen und/oder eine Stelle oder einen beliebigen Punkt am Roboter selbst. Es werden insbesondere Außenkonturen der Manipulatorbestückung sowie Massen und ggf. Schwerpunktkoordinaten

erfasst ;

• Erfassen eines Bewegungsplans für eine von dem

Manipulator durchzuführende Tätigkeit innerhalb des Layouts. Der Bewegungsplan wird bevorzugt als

Tra ektorie, d. h. als Bewegungslinie erfasst und im Hinblick auf Lage und Orientierung festgelegt. Der Bewegungsplan kann für einen Hauptbezugspunkt (Point of Interest POI), beispielsweise einen sog. Tool

Center Point (TCP) oder einen Manipulatorflansch festgelegt sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Bewegungsplan für weitere Bezugspunkte des

Manipulators und/oder der Manipulatorbestückung festgelegt sein;

• Ermittlung von zulässigen Prozessgeschwindigkeiten für Abschnitte des Bewegungsplans mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls und auf Basis der erfassten Daten. Das automatisierte Bewertungsmodul gibt solche Geschwindigkeiten aus, die bei einer

Kollision des Manipulators bzw. der

Manipulatorbestückung mit dem Menschen und ggf.

unter Einwirkung weiterer Objekte in dem Layout zu einer als zulässig erachteten Beeinträchtigung führen würden.

Das Bewertungsmodul kann beispielsweise eine Tabelle oder Datenbank mit empirisch ermittelten Daten über

Beeinträchtigungen eines Menschen bei Kollisionen einer Grenzgeometrie mit einem bestimmten Körperteil enthalten. In einer solchen Tabelle oder Datenbank kann

beispielsweise ein strukturierter Zusammenhang

hergestellt sein, zwischen:

• Vorbestimmten Grenzgeometrien (sog. Primitive wie Keilform / Prisma, Kegel, Pyramide, Sphäre etc. mit unterschiedlichen Radien, Öffnungswinkeln,

Kantenlängen etc.);

• Kollisionsgeschwindigkeiten;

• Bewegten Massen des mit dem Menschen in Kollision gebrachten Körpers;

• Erfassten Beeinträchtigungen (bspw.: keine

Beeinträchtigung, Schmerzempfinden, Prellung ohne Verletzung der Haut, leichte oberflächliche

Hautverletzung, mittelgradige Verletzung der Haut, etc . )

Das Bewertungsmodul weist (infolge der empirischen

Ermittlung) eine Struktur auf, die in Abhängigkeit von einer kategorisierten Kollisionssituation angibt, bei welchen Kollisionsgeschwindigkeiten bestimmte

Beeinträchtigungen auftreten.

Bei der Ermittlung der zulässigen Geschwindigkeiten werden die abgelegten Daten in umgekehrter Reihenfolge abgefragt. Das heißt, das Bewertungsmodul wird in der Weise verwendet, dass Eingabe-Parameter übergeben werden, die eine der kategorisierten Kollisionssituation und eine als zulässig erachtete Beeinträchtigung festlegen. Anhand dieser Eingabedaten wird eine Geschwindigkeit

(insbesondere die höchste Geschwindigkeit) abgefragt, die diesen Parametern entspricht. Diese Geschwindigkeit wird als zulässige Geschwindigkeit für die Bewegung eines Bezugspunktes des Manipulators oder einer

Manipulatorbestückung übernommen . Durch das Planungsverfahren kann die Sicherheit der

Mensch-Roboter-Kollaboration erhöht werden. Für jeden Abschnitt des Bewegungsplans kann eine Prüfung erfolgen, welche maximal zulässigen Geschwindigkeiten angewendet werden können, bzw. ob bereits geplante

Prozessgeschwindigkeiten die ermittelten zulässigen

Prozessgeschwindigkeiten überschreiten. Diese Prüfung kann ggfs. wiederholt durchgeführt werden.

Bereits bei der Ersterfassung kann dem Bewegungsplan ein Geschwindigkeitsprofil zugeordnet werden, das überprüft werden soll. Alternativ oder zusätzlich kann zu einem späteren Zeitpunkt eine manuelle Veränderung oder eine Neuvorgabe von Geschwindigkeiten erfolgen, die dann zu prüfen sind. Die in dem Bewegungsplan enthaltenen

Geschwindigkeitswerte werden allgemein als „geplante Geschwindigkeiten" bezeichnet. Die gegebenenfalls bei der Ersterfassung zugewiesenen Geschwindigkeiten werden als „vordefinierte Geschwindigkeiten" bezeichnet. Sie können im weiteren Verlauf der Planung teilweise oder

vollständig durch andere Geschwindigkeitswerte ersetzt werden .

Ein Bewegungsplan und ein zugewiesenes

Geschwindigkeitsprofil können auf schnelle und einfache Weise in die Steuerung eines Manipulators übertragen werden, bspw. über eine online-Datenübertragung.

Hierdurch kann ein Bewegungsplan sehr schnell in eine tatsächliche Tätigkeit umgesetzt werden. Ein Geschwindigkeitsprofil kann dokumentiert und ggf. im Hinblick auf die Arbeitssicherheit zertifiziert werden. Es kann als Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik und/oder als Geschwindigkeits-Weg-Charakteristik ausgegeben werden. Es beinhaltet bevorzugt für alle Abschnitte, in denen eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) auftritt oder auftreten kann, die geplanten Geschwindigkeiten sowie die ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten. Ein solches Geschwindigkeitsprofil kann als überprüfbarer Nachweis für eine den Sicherheitsanforderungen

entsprechende Auslegung eines MRK-Betriebs genutzt werden und dient so der Ermöglichung des Einsatzes von MRK- Systemen in der industriellen Fertigung.

Im Folgenden wird die momentane Geschwindigkeit eines bestimmten Bezugspunktes (bspw. TCP, Lagerstelle / anderer POI) als Prozessgeschwindigkeit bezeichnet. Sie kann einer momentanen Position des Bezugspunktes

zugewiesen sein.

Die Planung der jeweiligen Prozessgeschwindigkeiten in den Abschnitten des Bewegungsplans kann teil- oder vollautomatisiert erfolgen. Hierdurch wird die Zahl der Anpassungen eines Bewegungsplans zur Erreichung eines erwünschten Tätigkeitsprofils, insbesondere einer

gewünschten Taktzeit, erheblich reduziert. Von einem Planer muss in dem Bewegungsplan zunächst lediglich eine Trajektorie für die von dem Manipulator auszuführende Tätigkeit vorgegeben werden. Auf das Vordefinieren von Geschwindigkeiten für diesen Bewegungsplan kann teilweise oder vollständig verzichtet werden. Die Planung der

Geschwindigkeiten, insbesondere eine Zuweisung der jeweils maximal zulässigen Prozessgeschwindigkeit, kann voll- oder teilautomatisiert durch das Planungsverfahren (die Planungssoftware) erfolgen. Hierdurch wird der

Zeitaufwand für die Planung und Auslegung der

Manipulatortätigkeit erheblich reduziert. Ferner wird die Komplexität der Planungsaufgabe verringert und es können erhebliche Kosteneinsparungen erreicht werden. Somit kann die Einrichtung einer Fertigungszelle insgesamt deutlich beschleunigt werden. Wenn Geschwindigkeiten vordefiniert oder manuell

angepasst worden sind oder wenn eine Änderung von anderen Parametern des Layouts oder der Trajektorie erfolgt sind, können in dem Geschwindigkeitsprofil Abschnitte ermittelt werden, in denen eine geplante Prozessgeschwindigkeit höher ist als eine ermittelte zulässige

Prozessgeschwindigkeit. Mit anderen Worten können

diejenigen Bereiche ermittelt und angezeigt werden, die noch nicht den Sicherheitsanforderungen entsprechen. Für solche Abschnitte kann eine manuelle oder ggf. eine automatisierte Optimierung des Bewegungsplans vorgesehen werden .

Die Festlegung von MRK-Zonen in dem Layout kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch manuelle Eingabe oder Datenübernahme von einem externen System. Alternativ kann eine automatisierte oder

teilautomatisierte Zonenfestlegung erfolgen. Hierfür können insbesondere die Erreichbarkeit eines bestimmten Bereichs innerhalb des Layouts einerseits durch den

Manipulator bzw. die Manipulatorbestückung und

andererseits durch einen Menschen berücksichtigt werden. Die Erreichbarkeit durch den Manipulator kann sich aus dem bekannten Aufbau und der bekannten Außenkontur der Bestandteile des Manipulators und/oder seiner Bestückung sowie den im Layout festgelegten sonstigen Objekten ergeben.

Eine Erreichbarkeit durch einen Menschen innerhalb des Layouts kann auf Basis einer anthropologischen Datenbasis ermittelt werden. In einer solchen Datenbasis

(insbesondere Datenbank) sind für unterschiedliche Größen von Menschen - meist nach Perzentilen geordnet - vielerlei Daten hinterlegt, wie beispielsweise

Körpermaße, Bewegungszonen, aufbringbare Kräfte etc. In Abhängigkeit von dem Layout können potentielle

Aufenthaltsorte eines Menschen und davon ausgehend mit bestimmten Körperteilen erreichbare Räume berechnet werden. Diese Räume können, soweit sie sich mit der

Erreichbarkeit durch einen oder mehrere Manipulatoren überlappen, als potentielle MRK-Zonen identifiziert werden. Ferner können in Abhängigkeit von einer

anthropologischen Datenbasis automatisch diejenigen

Körperteile oder Körperbereiche ermittelt werden, deren Anwesenheit in einer Zone zu erwarten ist.

Die Kennzeichnung von MRK-Zonen kann auch

teilautomatisiert erfolgen, wobei zunächst auf Basis des Layouts und der anthropologischen Datenbasis Vorschläge für eine Zoneneinteilung erzeugt werden und dann

anschließend eine manuelle Nachkennzeichnung erfolgt.

Für die MRK-Zonen werden bevorzugt potenziell von einer Kollision betroffene Körperteile oder Körperregionen eines Menschen angegeben. Ferner kann eine zu erwartende Kollisionsart angegeben werden.

Die MRK-Zonen können alternativ oder zusätzlich mit

Risikoklassen bewertet werden. Die Bewertung kann auf beliebige Weise erfolgen. Sie kann einerseits von der Art einer zu erwartenden Kollision in einer Zone abhängen. Beispielsweise können Zonen, in denen eine Quetschgefahr für ein menschliches Körperteil zwischen dem Manipulator oder der Manipulatorbestückung und einem anderen Objekt besteht, mit einem höheren Risiko bewertet werden.

Demgegenüber können Zonen, in denen lediglich ein

Zusammenstoßen mit einem ausweichfähigen Körperteil des Menschen zu erwarten ist, mit einer niedrigeren

Risikoklasse bewertet werden usw. Ferner kann die

Risikobewertung in Abhängigkeit von den Körperteilen oder Körperregionen des Menschen vorgenommen werden, deren Anwesenheit in der jeweiligen Zone erwartet werden kann.

Die Bewertung mit Risikoklassen kann ebenfalls

automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen,

insbesondere in Abhängigkeit von dem Layout und dem

Bewegungsplan, sowie ggf. in Abhängigkeit von den

potentiell von einer Kollision betroffenen Körperteilen.

Eine Risikobewertung kann schließlich dahingehend

erfolgen, ob die Anwesenheit eines Menschen bzw. eines Körperteils des Menschen in der jeweiligen MRK-Zone bei bestimmungsgemäßer Durchführung der Tätigkeit vorgesehen, möglich oder verboten bzw. durch andere Maßnahmen

ausgeschlossen ist. Durch die Festlegung der MRK-Zonen kann eine besonders genaue und risikogerechte Planung eines

Kollaborationsbetriebs erfolgen, so dass bei Einhaltung der erforderlichen Sicherheit und Minimierung des

Verletzungsrisikos eine maximale Effizienz der

Manipulatortätigkeit erreichbar wird.

Die Planungstechnologie gemäß der vorliegenden

Offenbarung umfasst ein Planungssystem zur Einrichtung eines Manipulators für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen in einer gemeinsamen Arbeitszone. Das

Planungssystem umfasst zumindest eine Recheneinheit, eine geordnete Datenstruktur (bspw. Datenbank / Datei), eine Eingabemaske sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul, wobei durch das Planungssystem das vorgenannte

Planungsverfahren ausgeführt wird.

Die Planungstechnologie umfasst ferner die Verwendung eines automatisierten Bewertungsmoduls, das zulässige Prozessgeschwindigkeiten ermittelt. Die Ermittlung der Geschwindigkeiten erfolgt auf Basis von Eingabedaten, die eine kategorisierte Kollisionssituation auswählen und ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung angeben. Sie enthalten bevorzugt Angaben über eine Grenzgeometrie eines bewegten Festkörpers, eine bewegte Masse und eine von einer eventuellen Kollision betroffene menschliche Körperzone.

Die Verwendung des Bewertungsmoduls erfolgt für die

Einrichtung eines Manipulators für den

Kollaborativbetrieb . Die Eingabedaten werden aus

geplanten Prozessdaten, insbesondere aus einem Bewegungsplan eines Manipulators sowie dessen bekannten Geometrien (Außenkonturen) und Massen (Massenverteilung) gewonnen. Eine Angabe über eine von der Kollision betroffene Körperzone kann aus Informationen über MRK- Zonen und/oder zugewiesenen Risikoklassen gewonnen werden. Die Gewinnung und Zusammenstellung der

Eingabedaten erfolgt bevorzugt automatisiert.

Die Eingabedaten werden bevorzugt als Daten-Tupel, beispielsweise in der Form von Werteketten, an das

Bewertungsmodul übermittelt. Für jedes Daten-Tupel wird durch das Bewertungsmodul intern eine zulässige

(maximale) Prozessgeschwindigkeit ermittelt. Die interne Ermittlung erfolgt auf beliebige Weise, insbesondere durch Abruf aus einer Tabelle oder Datenbank mit

empirisch ermittelten Werten.

Die Daten-Tupel können in Abhängigkeit von dem

verwendeten Bewertungsmodul zusammengesetzt sein. Sie können beispielsweise als Übergabe-Informationen

beinhalten : · eine im Kollisionspunkt wirksame Masse,

eine oder mehrere im Falle einer Kollision

kontaktgefährdete menschliche Körperzonen oder

Körperbereiche, und/oder eine Risikoklasse,

eine Grenzgeometrie (Kollisionsgeometrie /

Primitive) im Bezugspunkt,

ggfs. eine zulässige Beeinträchtigung. Auf Basis der von dem Bewertungsmodul ausgegebenen momentan zulässigen Geschwindigkeit wird die

Prozessgeschwindigkeit des Manipulators geplant und vorgegeben . Die Planungstechnologie umfasst weiterhin eine MRK-

Bearbeitungsstation mit einem vorbestimmten Layout und mindestens einem Manipulator, der im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen arbeitet, wobei der Manipulator auf Basis eines Bewegungsplans gesteuert wird. Der

Bewegungsplan umfasst eine Trajektorie und ein

Geschwindigkeitsprofil, die durch ein vorgenanntes Planungsverfahren vorgegeben sind. Der Bewegungsplan umfasst insbesondere für jeden Abschnitt eine geplante Prozessgeschwindigkeit, die die zulässige

Prozessgeschwindigkeit einhält oder unterschreitet.

Während des Betriebs kann die tatsächliche Bewegungsbahn eines Manipulators von dem Bewegungsplan zeitlich und/oder örtlich abweichen. In einem solchen Fall können Kollisionssituationen auftreten, die bei der Planung nicht berücksichtigt waren.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein

Überwachungsverfahren vorgeschlagen, das kontinuierlich die Geschwindigkeiten der Teilbewegungen eines

Manipulators bzw. einer Manipulatorbewegung bei der tatsächlich verfolgten Bewegungsbahn erfasst, zulässige Geschwindigkeiten für diese Bewegungsbahn ermittelt und die Einhaltung der zulässigen Geschwindigkeiten

überprüft. Das Überwachungsverfahren kann bevorzugt auf die während eines Planungsverfahrens erfassten Daten zurückgreifen, insbesondere in Bezug auf die Konturen und Massen des Manipulators und der Manipulatorbestückung sowie das Layout des Arbeitsbereichs. Die in dieser

Offenbarung für ein Planungsverfahren und ein

Planungssystem gemachten Angaben gelten somit in gleicher Weise für ein Überwachungsverfahren sowie ein

Überwachungssystem. Alternativ können die für das

Überwachungsverfahren genutzten Daten separat erfasst werden . Das Überwachungsverfahren umfasst bevorzugt die folgenden Schritte :

• Erfassen eines Layouts eines Arbeitsbereichs, in dem der mindestens eine Manipulator in Menschen-Robotor- Kollaboration betrieben werden soll. Das Layout wird in einer geordneten Datenstruktur abgelegt,

beispielsweise in Form einer CAD-Datei.

• Kennzeichnung von einem oder mehreren Teilbereichen des Layouts als Mensch-Roboter-Kollaborationszonen;

• Erfassen einer vorgesehenen Manipulatorbestückung für die durchzuführende Tätigkeit.

• Erfassen einer tatsächlichen Bewegungsbahn des

Manipulators innerhalb des Layouts. Die

Bewegungsbahn wird zumindest als Trajektorie, d. h. als Bewegungslinie erfasst und im Hinblick auf Lage und Orientierung festgelegt. Die Bewegungsbahn kann bevorzugt für einen Hauptbezugspunkt (Point of

Interest POI), beispielsweise einen sog. Tool Center Point (TCP) oder einen Manipulatorflansch erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Bewegungsbahn für weitere Bezugspunkte des

Manipulators und/oder der Manipulatorbestückung erfasst werden;

• Ermittlung von zulässigen Prozessgeschwindigkeiten für Abschnitte der Bewegungsbahn mittels eines automatisierten Bewertungsmoduls und auf Basis der erfassten Daten.

Das für die Überwachung der Manipulatorbewegung

eingesetzte Bewertungsmodul kann bevorzugt mit dem in der Planung verwendeten Bewertungsmodul identisch sein.

Alternativ kann das Bewertungsmodul für die Verwendung in einem Überwachungsverfahren optimiert sein, um möglichst schnelle Zugriffszeiten zu unterstützen. Eine Optimierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Auszug erstellt wird, der die relevanten Werte für die

vorgesehene Manipulatorbestückung (bspw. bestimmte

Werkzeuge) enthält und dass für solche Werkzeuge bereits die jeweiligen Teilmassen und/oder Grenzgeometrien festgelegt sind.

Die vorliegende Offenbarung umfasst ein

Überwachungssystem zur Überwachung eines Manipulators im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen in einer

gemeinsamen Arbeitszone. Das Überwachungssystem umfasst zumindest eine Recheneinheit, eine geordnete

Datenstruktur (bspw. Datenbank / Datei), eine

Eingabemaske sowie ein automatisiertes Bewertungsmodul, wobei durch das Überwachungssystem das vorgenannte

Überwachungsverfahren ausgeführt wird. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung aufgezeigt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen im Einzelnen:

Einen Manipulator mit sieben

Bewegungsachsen und sieben Gliedern im Schrägbild;

Alternative Orientierungen einer

Manipulatorbestückung bei der

Nachverfolgung einer Bewegungsbahn;

Eine Draufsicht auf ein Layout für eine Arbeitszone, in der ein Manipulator im Kollaborativbetrieb mit einem Menschen tätig ist;

Eine schematische Darstellung eines PIanungsSystems ;

Ein Oszillator-Diagramm zur

Gegenüberstellung von tatsächlichen und zulässigen Geschwindigkeiten eines Manipulators mit Hervorhebung einer betroffenen MRK-Zone;

Figur 7 : Einen Auszug aus einer anthropologischen

Datenbasis .

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein

Planungsverfahren zur Einrichtung mindestens eines Manipulators (10) für den Kollaborativbetrieb mit einem Menschen (28), insbesondere zur Festlegung eines

Bewegungsplans bzw. einer Bewegungsbahn (Path) für einen oder mehrere Bezugspunkte (K1,K2,K3) an dem Manipulator (10) oder einer Manipulatorbestückung (36). Sie betrifft ferner ein Überwachungsverfahren. Das Planungsverfahren und/oder das Überwachungsverfahren werden bevorzugt auf einem Computersystem (30) ausgeführt.

Unter einem Bewegungsplan wird im Folgenden zumindest eine Trajektorie verstanden, d.h. eine Menge von

Positionskoordinaten (Χ,Υ,Ζ), die von einem Bezugspunkt (K1,K2,K3) in einer vorgegebenen Reihenfolge erreicht werden sollen. Ein Bewegungsplan kann zusätzlich ein Geschwindigkeitsprofil umfassen. Das

Geschwindigkeitsprofil enthält Angaben darüber, welche Bewegungen zu welchem Zeitpunkt und/oder an welcher

Position mit welcher Geschwindigkeit ausgeführt werden sollen. Ein Geschwindigkeitsprofil kann für alle

Abschnitte eines Bewegungsplans oder nur für einen Teil des Plans vorgesehen sein.

Der Manipulator (10) kann, insbesondere durch Steuerung oder Regelung der Antriebe für die Bewegungsachsen (I- VII), so gesteuert werden, dass ein bestimmter

Bezugspunkt eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgt, die mit dem Bewegungsplan für diesen Bezugspunkt

übereinstimmt. Wenn die tatsächliche Bewegungsbahn von dem Bewegungsplan abweicht, kann ggfs. eine

automatisierte Rückführung zur geplanten Bahn erfolgen. Ferner kann für jede tatsächliche Bewegungsbahn eine Überwachung ausgeführt werden, die überfprüft ob die für diese Bahn ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten eingehalten werden. Falls ein Überschreiten der

zulässigen Geschwindigkeiten festgestellt wird, können verschiedene Maßnahmen ausgelöst werden. Beispielsweise kann eine Warnung an einen Werker ausgegeben werden, dass eine erhöhte Verletzungsgefahr droht und er sich vom Manipulator wegbewegen solle. Ferner kann ein Protokoll über die erfolgte Überschreitung erzeugt werden, das eine eventuelle Überarbeitung der Prozessplanung unterstützen kann. Schließlich kann eine Begrenzung der momentanen

Prozessgeschwindigkeit auf die zulässige Geschwindigkeit erfolgen .

Der Bewegungsplan kann abschnittsweise oder insgesamt Orientierungsdaten (u,v,w) beinhalten, die eine

Ausrichtung des Bezugspunkts im Raum vorgeben.

Figur 1 zeigt beispielhaft einen Manipulator (10) in einer bevorzugten Ausführungsform. Es handelt sich um einen Leichtbauroboter mit sieben jeweils einzeln

ansteuerbaren Achsen (I - VII) . Der Manipulator (10) kann mit verschiedenen Regelungsstrategien betrieben werden.

Insbesondere ist es möglich, den Manipulator (10) in eine federnde Betriebsart zu versetzen, in der der Manipulator (10) kraftgeregelt einen Bewegungsplan verfolgt.

Der Manipulator kann bei Überschreitung einer

voreingestellten Gegenkraft, beispielsweise im

Kollisionsfall, stehen bleiben oder ausweichen und somit eine tatsächliche Bewegungsbahn verfolgen, die gegenüber dem Plan abweicht. Durch die federnde Betriebsart wird erreicht, dass der Manipulator schnell zur geplanten Bahn zurückkehrt, und durch die Ausweichfähigkeit wird das Verletzungsrisiko verringert.

Der in Figur 1 dargestellte Manipulator (10) weist insgesamt sieben Glieder auf. Das erste Glied (16) ist als Manipulatorhand ausgebildet, an der ein Flansch (12) zur Aufnahme einer Bestückung (36) angeordnet ist. Der Flansch (12) hat eine Flanschachse (14) . Alle weiteren Glieder (17,18,20,22,24) bis hin zum Fuß (26) sind über jeweils eine separat steuerbare Bewegungsachse (VI - I) mit dem jeweils vorhergehenden Glied verbunden. Die

Glieder sind so ausgebildet, dass sie Außenkonturen mit großen Radien aufweisen und auch bei einer eingezogenen Haltung des Manipulators (10) jeweils genügend Freiraum zwischen den Gliedern lassen, so dass Klemmungen der Hände oder anderer Körperteile weitgehend vermieden werden .

Figur 4 zeigt beispielhaft ein Layout (32) eines

Arbeitsbereichs, in dem eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ausgeführt werden soll. In dem Layout sind mehrere Objekte erfasst, darunter insbesondere ein Manipulator (10) und gegebenenfalls vorgesehene Aufenthaltsbereiche für einen Menschen (28) . In dem Layout ist ferner

mindestens ein Kollaborationsbereich (50) erfasst, d.h. ein Bereich in dem sich die Erreichbarkeit von

Manipulator (10) und Mensch (28) überschneiden. Außerhalb des Kollaborationsbereichs liegt eine „Freie Zone", die durch den Manipulator nicht erreichbar ist. Das Layout ist bevorzugt in einem Planungssystem zweidimensional oder dreidimensional als Datenmodell hinterlegt. Es kann beispielsweise als CAD-Modell vorliegen. Das CAD-Modell kann zur Erfassung des Layouts neu erzeugt und/oder über eine Schnittstelle importiert werden.

Das in Figur 4 dargestellte Layout (32) zeigt mehrere Objekte, darunter einen L-förmigen Tisch in dessen Mitte ein Manipulator (10) angeordnet ist. Auf dem Tisch sind mehrere als Rechtecke dargestellte Arbeitsbereiche angeordnet, die entweder nur von dem Menschen (28) (siehe Arbeitsbereich links unten), nur von dem Manipulator (10) (siehe mit MRK 4 gekennzeichneten Bereich) oder im

Kollaborationsbereich (50) sowohl vom Manipulator (10) als auch vom Menschen (28) erreichbar sind. Für eine potenzielle Quetschung relevante Kanten der Objekte werden bevorzugt gekennzeichnet. In Figur 4 ist

beispielsweise eine Kante (K4) eines Behälters (externes Objekt) hervorgehoben, an der eine Manipulatorbestückung vorbeigeführt wird. Für solche für Quetschungen

relevanten Kanten können bevorzugt zusätzliche Daten erfasst werden, wie beispielsweise eine relevante

Grenzgeometrie sowie Grenzradien. Die Grenzradien können als Mindestradien hinterlegt sein. Ggfs. kann eine

Erfassung der für Quetschungen relevanten Kanten

automatisiert oder teilautomatisiert erfolgen.

Innerhalb des Layouts (32) soll durch den Manipulator (10) in Zusammenwirkung mit dem Menschen (28) eine MRK- Tätigkeit ausgeführt werden. Hierbei soll der Manipulator (10) Bewegungen ausführen, insbesondere ein

angeflanschtes Werkzeug und/oder Werkstück bewegen und dabei ggf. mit anderen Objekten oder dem Menschen (28) zusammenwirken. Es können auch Wechsel der Manipulatorbestückung (36) vorgesehen sein, bspw. durch Aufnehmen von Werkstücken oder einen Werkzeugtausch.

Für die Durchführung der Tätigkeit folgt der Manipulator (10) einer geplanten Bewegung, d.h. dem Bewegungsplan. In den Zeichnungen wird aus Gründen der einfacheren

Darstellung nicht zwischen einem Bewegungsplan und der tatsächlich verfolgten Bewegungsbahn (Path)

unterschieden .

In Figur 4 ist beispielhaft eine Bewegungsbahn (Path) gezeigt, die durch einen Bewegungsplan mit zwei

Hauptabschnitten (Secl,Sec2) vorgegeben ist. Der

Bewegungsplan kann beliebig fein in Unterabschnitte untergliedert sein. In dem gezeigten Beispiel ist eine Bewegungsbahn für einen Tool-Center-Point (TCP) , also einen Hauptbezugspunkt (Kl) einer Manipulatorbestückung (36), vorgegeben. Die Orientierung (H) dieses

Bezugspunkts (Kl) kann auf beliebige Weise festgelegt sein. Sie kann teilweise oder vollständig in dem

Bewegungsplan hinterlegt sein. Alternativ kann sie durch eine Manipulatorsteuerung (48) in geeigneter Weise während des Betriebs berechnet und vorgegeben werden. Sie kann ferner in einer beliebigen Repräsentation vorgegeben sein, beispielsweise über drei Raumwinkel (k,l,m) oder durch andere geeignete Koordinaten. Relevante

Bezugspunkte (POI), für die eine Bewegungsplanung

und/oder eine Überwachung erfolgen können, sind neben den vorgenannten Punkten: Gelenkmittelpunkte, Punkten auf der Roboteraußenhaut, Flanschpunkte sowie Werkzeugpunkte. Je nach Ausbildung von Manipulator (10) und Bestückung (36) sowie der durchzuführenden Tätigkeit können auch andere Punkte relevant sein.

Um eine möglichst hohe Effizienz der

Kollaborationstätigkeit zu erreichen, ist es

wünschenswert, dass die Bewegungen des Manipulators (10) und/oder der Manipulatorbestückung (36) mit hoher

Geschwindigkeit und auf möglichst kurzen Wegen

stattfinden. Andererseits soll das Verletzungsrisiko für den Menschen (28) minimiert werden. Durch das offenbarungsgemäße Planungsverfahren kann auf übersichtliche und schnelle Weise eine Bewegung des

Manipulators (10) geplant und optimiert sowie schließlich für die tatsächliche Tätigkeit vorgegeben werden. Die Prozessgeschwindigkeiten können bei der Ersterfassung des Bewegungsplans teilweise oder vollständig als

vordefinierte Prozessgeschwindigkeiten festgelegt sein. Dies kann insbesondere in Abschnitten sinnvoll sein, in denen eine Interaktion des Manipulators mit anderen

Objekten erfolgen soll, beispielsweise bei einem

Werkzeugwechsel, bei der Aufnahme eines Werkstücks oder bei einem Montagevorgang.

Die Prozessgeschwindigkeiten können auch automatisiert vorgegeben oder optimiert werden. Durch das

Planungsverfahren werden dann für die jeweiligen

Abschnitte des Bewegungsplans die zulässigen

Prozessgeschwindigkeiten ermittelt und direkt zugewiesen. Bei einer teilautomatisierten Zuweisung können die geplanten Prozessgeschwindigkeiten mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten verglichen werden. In einem Geschwindigkeitsprofil werden auf Basis dieses Vergleichs Vorschläge für Veränderungen angezeigt, die von einem Planer übernommen und/oder manuell angepasst werden können . In dem Layout (32) werden bevorzugt eine oder mehrere MRK-Zonen (MRK1-MRK4) gekennzeichnet. Die Kennzeichnung kann manuell, teilautomatisiert oder voll automatisiert erfolgen. In Figur 1 sind zwei Teile des

Kollaborationsbereichs (50), in denen die Anwesenheit eines Menschen (28) vorgesehen oder möglich ist und in denen eine Kollision auch mit empfindlichen Körperteilen, wie beispielsweise dem Kehlkopf oder den Augen möglich wäre, mit MRK1 gekennzeichnet. Diese Zonen sind mit einem hohen Risiko (Rl) bewertet. Ein zweiter Teilbereich, der sich über einer Tischoberfläche und in direkter

Zugriffsreichweite des Menschen (28) befindet, ist mit MRK2 bezeichnet. In dieser Zone ist bei

bestimmungsgemäßem Verhalten des Menschen (28) mit einer Kollision des Manipulators (28) mit Händen oder Armen des Menschen (28) zu rechnen. Dieser Zone ist beispielsweise einer Risikoklasse (R2) zugeordnet. Eine dritte Zone befindet sich weiter im Tischinneren und wird durch den Menschen (28) im vorgesehenen Verlauf der MRK-Tätigkeit nicht erreicht. Ihr ist beispielsweise die Risikoklasse (R3) zugeordnet. Eine vierte Zone überdeckt ein neben dem Manipulator (10) angeordnetes Werkzeugmagazin, in das auf Grund von Sicherheitsvorrichtungen ausschließlich der Manipulator (10) eingreifen kann. Dieser Zone (MRK4) ist beispielsweise die Risikoklasse (R4) zugeordnet. Die Erfassung des Layouts (32) und die Zuweisung von MRK- Zonen sowie ggfs. die Bewertung mit Risikoklassen (R1-R4) erfolgt bevorzugt über eine Eingabemaske an einem

PIanungsSystem. Alternativ oder zusätzlich können andere Formen der

Zonenvorgabe und/oder Zonenunterteilung bzw. zu deren Benennung genutzt werden. In dem Layout können auch die sog. „freie Zonen" gekennzeichnet werden (siehe Figur 4), die vom Manipulator bzw. der Manipulatorbestückung nicht erreicht werden können oder deren Erreichbarkeit für den Manipulator mittels technischer Maßnahmen ausgeschlossen ist. In solchen freien Zonen besteht grundsätzlich keine Gefährdung des Menschen aus der Manipulatortätigkeit.

Eine reine „MRK-Zone" kann eine solche Zone sein, die einen gemeinsamen Arbeitsraum von Manipulator und Mensch definiert. In einer solchen MRK-Zone sieht die

bestimmungsgemäße Tätigkeit des Manipulators auch einen Kontaktmöglichkeit mit dem Menschen vor. Die für solche MRK-Zonen zulässige Beeinträchtigung kann bspw. geringe Schmerzen jedoch ohne Verletzungen umfassen, jedoch alle stärkeren Beeinträchtigungen ausschließen. In Figur 4 sind die Zonen (MRK1 und MRK2) reine MRK-Zonen.

Eine sog. „Prozess-Zone" kann ein Arbeitsraum sein, dessen Erreichbarkeit vornehmlich für den Manipulator vorgesehen ist, wobei jedoch die Erreichbarkeit für den

Menschen grundsätzlich möglich ist. In einer Prozess-Zone sind bestimmungsgemäß kein Zusammenwirken und kein

Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Eine zulässige Beeinträchtigung in der Prozess-Zone kann Verletzungen des Menschen ausschließen, jedoch alle geringeren Beeinträchtigungen zulassen. In Figur 4 ist die Zone (MRK3) eine solche Prozesszone.

Eine sog. „Risiko-Zone" kann ein Arbeitsraum sein, der allein dem Manipulator vorbehalten ist. In einer Risiko- Zone sind ebenfalls kein Zusammenwirken und kein Kontakt zwischen Manipulator und Mensch vorgesehen. Zusätzliche Absicherungen sollten den Zugriff eines Menschen in eine Risiko-Zone ausschließen. Eine Risiko-Zone kann von der MRK-Planung und/oder der MRK-Überwachung ausgeschlossen sein. Die Prozessgeschwindigkeiten können so gewählt sein, dass im Fall von Kollisionen auch mit Verletzungen zu rechnen wäre. In Figur 4 entspricht die Zone (MRK4) einer Risiko-Zone. In Figur 5 ist ein Planungssystem (44) beispielhaft dargestellt. Es weist eine graphische Eingabemaske (42, GUI) auf, die unterschiedliche Zustände annehmen kann. In der linken Ansicht der Eingabemaske (42) ist beispielhaft eine Draufsicht auf das Layout (32) dargestellt. In der rechten Ansicht ist ein Geschwindigkeitsprofil in Form einer Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik (v-t-Dia.) gezeigt. In einer solchen Charakteristik werden über den Zeitablauf einer geplanten Manipulatortätigkeit die momentanen geplanten Geschwindigkeiten (v_pl) mit den ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul)

verglichen. Solche Abschnitte des Bewegungsplans, in denen die geplante Geschwindigkeit (v_pl) die zulässige Geschwindigkeit (v_zul) überschreitet, können in dem Verfahren automatisch ermittelt und angezeigt werden, sodass ein Planer auf eventuell notwendige Änderungen hingewiesen wird oder eine Freigabe für eine

teilautomatisierte Optimierung erteilen kann.

Das Planungssystem (44) umfasst ferner eine Recheneinheit (40), eine geordnete Datenstruktur (34), insbesondere in Form einer Datenbank oder einer Datei, sowie ein

automatisiertes Bewertungsmodul (38). Die Recheneinheit (40) kann ein üblicher Computer sein bzw. eine darauf ausgeführte Software. Die geordnete Datenstruktur (34) kann auf einem beliebigen Datenträger abgelegt sein. Im rechten unteren Bereich der Figur 5 ist ein Auszug aus einem Bewertungsmodul (38) beispielhaft dargestellt. Der Auszug enthält für verschiedene Manipulatorbestückungen (Tools) jeweils vordefinierte Angaben über eine Teilmasse (ml,m2), einen Radius der relevanten Grenzgeometrie sowie eine Matrix von zulässigen Geschwindigkeiten, hier für die Kollisionsarten Quetschen (Vmax_Q) und Stoßen

(Vmax_Stoß). Die Geschwindigkeiten können bereits anhand der vorgenannten Angaben vorausgewählt sein. Die

zulässigen Geschwindigkeiten sind dann in Abhängigkeit von möglicherweise betroffenen Körperteilen schnell abrufbar . Die dargestellten Geschwindigkeitswerte VI bis V6 betreffen Basiswerte für den Fall, dass keine

bestimmte Körperregion betroffen ist. V7 bis V12

betreffen Kollisionen mit dem Rumpf. V13 bis V18

betreffen den Kopf, V19 bis V24 den Arm, V25 bis V30 die Hand und V31 bis V36 einen Finger. Aus einer solchen Matrix kann die für den jeweils betrachteten Bezugspunkt (POI,TCP) und die vorliegende Zone (MRK1 - MRK4) jeweils die zulässige Prozessgeschwindigkeit ermittelt werden. Der gezeigte Auszug ist für die Überwachung einer bereits geplanten Manipulatortätigkeit optimiert.

Das Planungssystem (44) kann eine anthropologische

Datenbasis (46), beispielsweise in der Form einer

Datenbank, aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein. Diese kann obere und untere Grenzwerte für

Körpermaße beinhalten sowie für Mindest- und

Maximalabstände zum Quetschen von Körperteilen. Figur 7 zeigt beispielhaft einen Auszug aus einer

anthropologischen Datenbasis, in der für unterschiedliche Körperteile und in Abhängigkeit eines freien Abstandes zwischen zwei kollisionsgefährdenden Konturen die

möglichen Beeinträchtigungsformen Quetschen und Stoßen unterschieden sind. Ein oder mehrere Manipulatoren (10) mit einer oder mehreren Manipulatorsteuerungen (48) können Bestandteil des Planungssystems (44) bzw. eines Überwachungssystems sein. Alternativ kann das Planungssystem (44) bzw. ein Überwachungssystem zu solchen Manipulatoren (10) oder Manipulatorsteuerungen (48) verbunden sein. Ein

festgelegter Bewegungsplan mit einem auf Basis der ermittelten zulässigen Geschwindigkeiten (v_zul)

festgelegten Geschwindigkeitsprofil kann in die Steuerung (48) eines Manipulators (10) übertragen werden. Die

Übertragung kann auf beliebige Weise geschehen,

beispielsweise über eine Online-Anbindung oder über einen transportablen Datenträger.

Durch das Planungsverfahren kann eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eines Bewegungsplans ausgeführt werden. Die Optimierung kann dabei für den Bewegungsplan eines Hauptbezugspunkts (Kl) oder für mehrere Bezugspunkte (K1,K2,K3) des Manipulators (10) und/oder einer Manipulatorbestückung (36) ausgeführt werden.

Besonders bevorzugt werden zulässige Geschwindigkeiten für den Bewegungsplan eines Bezugspunkts (Kl) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (Gl) ermittelt. Auf Basis dieser Daten kann dann eine Optimierung des Bewegungsplans, insbesondere der zugewiesenen

Geschwindigkeiten sowie ggf. der Trajektorie und/oder der vorgesehenen Orientierungen ausgeführt werden.

Eine Optimierung kann dahingehend erfolgen, dass eine Veränderung des Geschwindigkeitsprofils für bestimmte Abschnitte oder den gesamten Bewegungsplan vorgeschlagen oder direkt zugewiesen werden. Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung eignet sich insbesondere für reine Verfahrwege des Manipulators, d.h. solche

Abschnitte des Bewegungsplans, in denen kein Kontakt des Manipulators (10) oder der Manipulatorbestückung (36) mit anderen Objekten oder einem Menschen (28) für eine konkrete Kollaborationstätigkeit vorgesehen ist. Solche Verfahrwege können innerhalb eines Bewegungsplans manuell gekennzeichnet oder automatisch erfasst werden. Innerhalb der Verfahrwege können beispielsweise

Abschnitte mit einem erhöhten Gefährdungspotential, d.h. mit einer Verletzungen begünstigenden Bewegung

identifiziert werden. Insbesondere können solche

Abschnitte erfasst und gekennzeichnet werden, in denen eine geplante Orientierung (H) eines Bezugspunkts (Kl) mit einer potentiell gefährlichen Grenzgeometrie (Gl) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert zur momentanen Bewegungsrichtung (I) dieses Bezugspunktes (Kl) steht. Eine solche Situation ist in Figur 2

dargestellt. Dort ist beispielhaft eine

Manipulatorbestückung (36) in Form Werkzeugs dargestellt, das auf der einen Seite (Bezugspunkt Kl) eine spitze Grenzgeometrie (Gl) und auf der Gegenseite (Bezugspunkt K2 ) eine stumpfe Grenzgeometrie (G2) aufweist. Der

Manipulatorbestückung (36) sowie dem Manipulator (10) können unterschiedliche Teilmassen (ml, m2 ) zugeordnet sein. Der Bezugspunkt für die gemäß dem Bewegungsplan vorgesehene Bewegungsbahn (Path) ist das spitze Ende (Kl) . Die in Figur 2 dargestellte Situation entspricht einem Teil des Bewegungsplans im ersten Abschnitt (Secl) gemäß Figur 4.

Das spitze oder kantige Ende (Kl) der

Manipulatorbestückung (36) verursacht bei gleicher

Geschwindigkeit (und gleicher im Zusammenstoß wirksamer Masse) ein höheres Verletzungsrisiko als die

gegenüberliegende stumpfe Seite (K2). Dementsprechend werden für den Bewegungsplan in der in Figur 2

dargestellten Form vergleichsweise geringe zulässige Geschwindigkeiten (v_zul) ermittelt.

Die Manipulatorbestückung könnte bei derselben zulässigen Beeinträchtigung mit höherer Geschwindigkeit bewegt werden, wenn das stumpfe Ende (K2) vorauseilen würde. Dieser Umstand kann Grundlage für eine Optimierung sein. D.h. allgemein ist eine Optimierung erreichbar, wenn ein Bewegungsplan so abgeändert wird, dass eine weniger gefährliche Grenzgeometrie in der Bewegung vorauseilt. Denn dann sind höhere zulässige Geschwindigkeiten zu erwarten . Eine Optimierung des Bewegungsplans kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in den wie oben dargestellt gekennzeichneten Abschnitten der Verfahrwege die geplante Orientierung (H) und/oder die geplante momentane

Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (Kl) so angepasst werden, dass sich die Orientierung (H) in Richtung zu einem stumpfen Winkel, insbesondere einer gegensinnigen Orientierung gegenüber der Bewegungsrichtung (I)

verändert. Hierdurch wird eine potenziell gefährliche Grenzgeometrie (Gl) von der vorauseilenden Seite der Bewegung weggedreht. Eine entsprechend geänderte

Situation ist zum Vergleich in Figur 3 dargestellt.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Optimierung dadurch erfolgen, dass an einer Manipulatorbestückung (36) ein Bezugspunkt (K2) mit einer erwartungsgemäß weniger gefährlichen Grenzgeometrie (G2) ermittelt wird. Der Bewegungsplan für die Manipulatorbestückung (36) kann dann innerhalb eines Verfahrweges so angepasst werden, dass die Orientierung (H) dieser ungefährlichen

Grenzgeometrie (G2) des Bezugspunktes (K2) in einem spitzen Winkel, insbesondere gleichorientiert, zur momentanen Bewegungsrichtung (I) des Bezugspunktes (K2) steht. D.h. eine erwartungsgemäß ungefährliche

Grenzgeometrie (G2) wird zur vorauseilenden Seite der Bewegung verdreht. Daneben können beliebige andere

Optimierungsverfahren eingesetzt werden. Die vorgenannten Optimierungen können auch in einem Überwachungsverfahren genutzt werden, bspw. während er Rückführung eines Bezugspunktes zu einer vorgesehen Position. Mit anderen Worten kann, wenn die Bewegung eines Manipulators bzw. eines relevanten Bezugspunkts (POI) von dem vorgesehenen Bewegungsplan abweicht und eine Rückführung zu einer nach dem Bewegungsplan

vorgesehenen Position erfolgen soll, der Bewegungsablauf während der Rückführung gemäß den vorgenannten Schritten optimiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Rückführung mit einem möglichst geringen

Verletzungsrisiko erfolgt und gleichzeitig eine hohe Effizienz der Bewegung erreicht wird.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass auf Basis eines festgelegten Bewegungsplans und der jeweils geplanten Prozessgeschwindigkeiten (v_pl) eine Vorgangsdauer (T) für die durchzuführende Tätigkeit des Manipulators (10) berechnet wird (vgl. Geschwindigkeitsprofil gem.

Figur 5). Eine automatisierte oder teilautomatisierte Optimierung des Bewegungsplans kann bevorzugt dann ausgeführt werden, wenn die berechnete Vorgangsdauer (T) eine gewünschte Taktzeit überschreitet. Die gewünschte Taktzeit kann beispielsweise als Sollvorgabe vorliegen und zu Beginn einer Tätigkeitsplanung erfasst werden. Entsprechend kann die Durchführung einer Optimierung ebenfalls automatisch gestaltet werden.

Ein Überwachungsverfahren kann grundsätzliche alle

Merkmale des hier offenbarten Planungsverfahrens

aufweisen. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass während der Manipulatortätigkeit ständig oder zwischenzeitlich eine Überwachungsanzeige ausgegeben wird. Eine solche Anzeige kann einen Werker in der

Wahrnehmung des momentanen Verletzungsrisikos

unterstützen sowie auf eventuelle Abweichungen gegenüber dem geplanten Tätigkeitsablauf aufmerksam machen. In dem Überwachungsverfahren kann bevorzugt eine ständige

Überwachung von mehreren relevanten Bezugspunkten erfolgen. Die Prozessgeschwindigkeiten dieser

Bezugspunkte können in einem gemeinsamen Diagramm

dargestellt werden. Hierfür eignet sich beispielsweise eine Oszilloskop-Diagramm gemäß Figur 7. Hier sind beispielhaft die Prozessgeschwindigkeiten (v_TCP) eines Tool Center Points sowie (v_POI) eines weiteren

Bezugspunkts dargestellt. Die dargestellten

Geschwindigkeiten können mit einer Angabe über die momentan betroffene Arbeitszone (Zonel - Zone3 / MRK1- MRK4) hinterlegt sein. Derartige Diagramme können auch zu Nachweisgründen abgespeichert werden, um die Einhaltung der Betriebssicherheit zu belegen. Abwandlungen und Änderungen der Erfindung sind in vielerlei Hinsicht möglich. Insbesondere können die zu den Ausführungsbeispielen gezeigten oder beschriebenen Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, untereinander vertauscht, ergänzt oder weggelassen werden.

Anstelle des in Figur 1 gezeigten Leichtbauroboters kann ein anderer Manipulator (10) verwendet werden,

beispielsweise ein Industrieroboter. Die Zahl der Achsen und Glieder kann ebenfalls unterschiedliche sein. Der Manipulator (10) kann eine oder mehrere zusätzliche Verfahrachsen haben. Er kann alternativ oder zusätzlich auf einem frei beweglichen Korpus angeordnet sein.

Entsprechend kann ein Kollaborationsbereich (50) während der Dauer einer Kollaborationstätigkeit veränderlich sein und die Kennzeichnung von MRK-Zonen sowie eine

Risikobewertung können entsprechend zeitvariabel sein.

Durch das Verfahren können Prüfungen eines Bewegungsplans und eines zugehörigen Geschwindigkeitsprofils für

bestimmte Zustände mit unterschiedlich festgelegten zulässigen Beeinträchtigungen erfolgen. Ein erster

Zustand kann eine bestimmungsgemäße Tätigkeit betreffen, in der Mensch (28) und Manipulator (10) die vorgesehenen Bewegungen ausführen und eine Kontaktierung zwischen Mensch (28) und Manipulator (10) nur zu den erwünschten Zeitpunkten und an den geplanten Stellen auftritt. Für einen solchen Zustand können nur sehr geringe

Beeinträchtigungen des Menschen als zulässig erfasst werden. Ein zweiter Zustand kann leichte Änderungen gegenüber der bestimmungsgemäßen Tätigkeit abdecken, die durch versehentliche Verhaltensänderungen des Menschen (28) hervorgerufen werden. In einem solchen Zustand können etwas stärkere Beeinträchtigungen zulässig sein, bei denen jedoch keine gravierenden Verletzungen

entstehen . BEZUGSZEICHENLISTE

10 Manipulator / Roboter / Leichtbauroboter (LBR) 12 Flansch

14 Flanschachse

16 Manipulatorhand / erstes Glied

17 Zweites Glied

18 Drittes Glied

20 Viertes Glied

22 Fünftes Glied

24 Sechstes Glied

26 Fuß / Basis / Siebtes Glied

28 Mensch / Werker

30 Computersystem

32 Layout eines Arbeitsbereichs

34 Geordnete Datenstruktur

36 Manipulatorbestückung / Werkzeug u/o Werkstück

38 Automat. Bewertungsmodul / Bewertungsdatenbank

40 Recheneinheit / Computer

42 Eingabemaske (GUI)

44 Planungssystem

46 Anthropologiedatenbank

48 Manipulatorsteuerung

50 Kollaborationsbereich

I Erste Manipulator-Bewegungsachse

11 Zweite Bewegungsachse

III Dritte Bewegungsachse

IV Vierte Bewegungsachse

V Fünfte Bewegungsachse VI Sechste Bewegungsachse

VII Siebte Bewegungsachse

Gl Erste Grenzgeometrie (Kante)

G2 Zweite Grenzgeometrie (Rundung)

H Orientierung eines Bezugspunktes / einer

Grenzgeometrie

I Momentane Bewegungsrichtung eines

Bezugspunktes / einer Grenzgeometrie

Kl Erster Bezugspunkt / möglicher Kollisionspunkt

K2 Zweiter Bezugspunkt

K3 Dritter Bezugspunkt

K4 Potenzielle Quetschkante

MRK1 Kollaborationszone 1 / MRK-Zone

MRK2 Kollaborationszone 2 / MRK-Zone

MRK3 Kollaborationszone 3 / Prozess-Zone

MRK4 Kollaborationszone 4 / Risikozone

Rl Erste Risikoklasse

R2 Zweite Risikoklasse

R3 Dritte Risikoklasse

R4 Vierte Risikoklasse

Secl Abschnitt in Bewegungsplan

Sec2 Abschnitt in Bewegungsplan

Sec_Alert Abschnitt der Bewegungsbahn mit Überschreitung von v_zul

Path Bewegungsplan

Χ,Υ,Ζ Raumkoordinaten / Positionskoordinaten

k,l,m Raumwinkel / Raumorientierungskoordinaten v_pl Vordefinierte Prozessgeschwindigkeit

v_zul Ermittelte zulässige Prozessgeschwindigkeit v-t-Dia . Geschwindigkeits-Zeit-Charakteristik

T Vorgangsdauer v_TCP Tatsächliche Geschw. Tool Center Point v POI Tatsächliche Geschw. eines POI