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 |