Verfahren zur sicherheitsgerichteten Abschaltung von Bewegungsvorgängen im Kollisionsfall

Die Patentanmeldung bezieht sich auf ein technisches Verfahren, bei dem Bewegungsvorgänge, die Gefahren für Menschen oder Beschädigungen von Materialen nach sich ziehen können, beim Auftreten einer Kollision erkannt und sicher unterbrochen werden können. Das Verfahren kann bei allen Bewegungsabläufen beliebiger Natur zur Anwendung kommen, wobei es sich ganz besonders bei Translationsbewegungen, Handlingsautomaten oder Robotern eignet. Zur Erfüllung der Sicherheitsfunk- tion ist lediglich die Adaption eines Sensors notwendig, der Bewegungsfunktion aufnimmt, sowie eines Kraftmessungssystems zur Erfassung der Momentankräfte. Aus dem Vergleich beider Messwerte wird ein Signal gewonnen, das Kollisionen erkennt und dann über eine Steuerung oder eine ähnlich geartete Einrichtung eine geeignete Sicherheitsfunktion auslöst.

Bewegungsvorgänge im industriellen Bereich gehören zu den wichtigsten Funktionen innerhalb der Automatisierung. Von besonderer Bedeutung sind hierbei Plazierungsvorgänge oder Transportvorgänge, die mittels Roboter oder Transportbänder ablaufen. Während des Transportvorgangs stellen sowohl die Transporteinrichtungen als auch die transportierten Teile eine hohe Gefahr dar, wenn sich eine Person im Bereich des Transportwegs befindet. Daher werden heute derartige gefahrvolle Transporteinrichtungen vielfach mit Schutzeinrichtungen (z.B. Schutzzäune, Lichtgitter usw.) versehen, damit eine Annäherung einer Person in den gefahrvollen Bereich zu einer sofortigen Abschaltung führt. Diese Schutzeinrichtungen sind aber sehr kostenintensiv und überaus unflexibel. Darüber hinaus bieten sie keinerlei Schutz, wenn Personen direkt mit den Bewegungssystemen Hand-in-Hand arbeiten müssen (z.B. bei der Materialübergabe oder beim Einrichten eines Roboters).

Selbst wenn die Person den Bewegungsablauf der gefährlichen Einrichtung abschätzen kann, so besteht stets die Möglichkeit, dass das Transportsystem durch einen Fehler (z.B. Versagen, fehlerhafte Programmierung usw.) eine völlig unerwartete Bewegung ausführt, die von der Person nicht vorher abzuschätzen war. In diesem Fall ist eine schwerwiegende Verletzung kaum auszuschließen.

Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 bis 12 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung löst das Problem dadurch, dass der Bewegungsablauf sowohl der Transporteinrichtung (Roboter) als auch des transportierten Materials stetig überwacht und so eine Kollision erkannt wird. Durch die besondere Eigenschaft des Verfahrens werden nicht nur Personen geschützt, sondern auch Einrichtungen und Ma- terialen vor Defekten bewahrt.

Die Figur 1 stellt die technische Lösung des Verfahrens im Detail dar.

Figur 1 : Prinzipaufbau und Anordnung der Einheiten

Ein Roboter besteht aus einem Montagefuß (a) an dem ein Arm zur Durchführung der Bewegung angebracht ist. Alle Bewegungsabläufe werden durch die interne Steuerung des Roboters (b) bewerkstelligt. Am Arm des Roboters befindet sich der die Roboterhand oder ein weiterer Roboterarm, (c,d), der das zu bewegende Werkstück e festhält. In machen Fällen wird dieser Arm auch als Werkzeug bezeichnet. Entsprechend der Erfindung wird dieses Werkzeug nicht direkt mit dem Werkstück (e) in Verbindung gebracht, sondern über einen Kraftaufnehmer montiert (d). Das eigentliche Werkzeug besteht damit aus zwei Teilen, die durch ein Kraftmesseinrichtung (d) voneinander getrennt sind. Da diese Kraftmesseinrichtung im Wesentlichen starr ausgerichtet ist, kann die gesamte Einheit als Standard- Werkzeug betrachtet werden (c,d). Die beiden Teile des Werkzeugs, die durch den Kraftaufnehmer (d) getrennt sind, enthalten unterschiedliche Sensoren. Einerseits befindet sich am oberen Teil (c) einen Bewegungssensor (f), der alle Raumbewegungen des Werkzeugs aufnimmt und über die Datenleitung (h) weitergibt. Andererseits enthält der untere Teil eine übertragungseinheit (g), die alle auftretenden Kräfte der Kraftmesseinrichtung (d) erfasst und diese über eine Datenleitung (i) weiterleitet. Die beiden über die Datenleitungen i und h gesendeten Daten werden in der Vergleichseinheit j auf Plausibilität verglichen und der Steuerung b über die Datenleitung k zugeführt. Im Falle einer Abweichung der berechneten Plausibilität in der Einheit j erfolgt eine sofortige Abschaltung des Roboterantriebs über die Datenleitung k in der Steuerung b.

Die Einheit j führt zur Kontrolle der Plausibilität folgende Verarbeitung durch: Die Daten des Sensors f geben die direkten Beschleunigungsdaten wieder. Diese können beispielsweise durch die Beschleunigungen in kartesischen Koordinaten dargestellt werden (d ² x/dt ² , d ² y/dt ² , d ² z/dt ² ). Derartige Sensoren sind in verschiedenen Technologien erhältlich und leicht an dem Roboterarm adaptierbar. Sofern Sensoren zum Einsatz kommen, die Orts- oder Geschwindigkeitswerte abgeben, erfolgt die Be- rechung der Beschleunigungen über die zeitlichen Ableitungen. Der Bewegungsablauf darf während des Materialtransports keine gravierenden änderungen zeigen. Damit befinden sich die Werte für die Beschleunigung (d ² x/dt ² , d ² y/cft ² ₅ d ² z/dt ² ) innerhalb eines kleinen vorgegeben Toleranzfensters. Eine Kollision mit einem Gegenstand (also auch einer Person) stellt eine überschreitung des Toleranzfensters dar. In diesem Fall erfolgt sofort eine Abschaltung der Antriebe über die Steuerung b. Zusätzlich wird über die Kraftmesseinheit d und die Sensorik g die tatsächliche Kraft aufgenommen, die durch das transportierende Teil e ausgelöst wird. Sofern das Teil durch keine besonders großen Trägheitsmomente geprägt ist, stellt sich die Kraft durch die Größen m*d ² x/dt ² , m*d ² y/dt ² , m*d ² z/dt ² dar. Sofern man also die Masse m des Teils e kennt, kann ein sofortiger Vergleich der Sensordaten von f und g erfolgen. Die Masse lässt sich sehr leicht dadurch bestimmen, dass man eine Wägung durch den Sensor g beim Aufnehmen des Teils e durchführt. Wenn die Form des Teils e einen wesentlichen Beitrag zu einem Trägheitsmoment enthält (z.B. längliche Form) müssen auch noch Trägheitskräfte berücksichtigt werden. Diese ergeben sich aus M*dq ² /dt ² . Hierbei ist M das Trägheitsmoment und q der Bewegungswinkel. Auch diese Größe lässt sich bei der Aufnahme des Teils e durch eine leichte Kippbewegung ermitteln. Im Zusammenwirken der beiden Sensordaten f und i ist eine Kollision schnell abzuschätzen, sofern man die Bewegung durch den Sensor f aufnimmt und dann stetig die Kraft durch die Einheit j berechnet. Eine Kollision wird dann durch 2 Verfahren erkannt:

β Plötzliche änderung der Bewegung alleine durch Aufnahme der Daten von f β Plötzliche Abweichung der Kraftmesswerte durch den Sensor i, die nicht mit den Daten von f übereinstimmen (in diesem Fall führt der Roboter beispielsweise seine Bewegung weiter durch, allerdings wird bereits eine Person berührt, die zusätzliche Kräfte auf das Teil e ausübt).

Je nach geforderter Sicherheitskategorie ist die Einheit j und b eventuell auch zweika- nalig auszulegen, damit im Versagensfall eine sichere Abschaltung zustande kommt.

Bei einem direkten Kontakt zwischen Personen und den genannten gefahrvollen Maschinen oder Transporteinrichtungen nach dem Stand der Technik sind dagegen bis heute lediglich 2 unterschiedliche Verfahren zur Absicherung der Person oder des Materials bekannt:

β Die Maschine oder Transporteinrichtung verfügt über Antriebe, die oberhalb eines maximalen Kraftmoments abschalten. Im Falle einer Kollision wird dieses Moment überschritten und eine Fortführung der Bewegung abgebrochen. Das Verfahren ist für größere Transporteinrichtungen oder Maschinen ungeeignet, da bereits zum Bewegen hohe Kräfte notwendig sind, die auch bei geringen Abweichungen der Kräftewerte Gefahren für Personen darstellen. ^β Der Bewegungsablauf der Maschine oder der Transporteinrichtung wird vor dem tatsächlichen Ablauf aufgenommen (Teach-In). Bei einer späteren Bewegungsdurchführung wird dann der aufgenommene Ablauf mit dem aktuellen verglichen. Eine Abweichung lässt auf eine Kollision schließen. Das Verfahren hat 2 Nachteile, die sich daraus ergeben, dass einerseits ein Teach-In- Ablauf durchgeführt werden muss, und andererseits eine Abweichung nur dann während des aktuellen Bewegungsablaufs auftritt, wenn massive Beeinträchtigungen des Ablaufs vorliegen. Diese sind in der Regel aber derart groß, dass eventuell schwerwiegende Verletzungen auftreten, die während des Bewegungsablaufs vollkommen unentdeckt bleiben.

Die Verfahren, Personen vor den Gefahren der Roboter zu schützen sind beispielsweise in der Literatur genannt (siehe hierzu: Pressemitteilung der Firma KUKA September 2005).

Das hier vorgestellt Verfahren funktioniert ohne die genannten Nachteile. So sind keine besonderen Antriebe notwendig. Ein Teach-In- Ablauf kann unterbleiben. Bereits kleine Kraftänderungen werden erkannt und damit Personen nachhaltig geschützt.