Sichere Parallelroboter für die Mensch-Roboter-Kollaboration (Akronym: SAFE)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Seel
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444769341

Die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ermöglicht eine Leistungssteigerung in unvollständig automatisierten Bereichen und eine ergonomische Unterstützung des Menschen bei seiner Arbeit. Sicherheitsanforderungen sehen bei physischen Kontakten die Einhaltung von Schwellwerten für Energie, Kraft und Druck vor. Geringe bewegte Massen von seriellen Leichtbaurobotern reduzieren die auftretenden Kräfte. Allerdings erhöhen die an den Gelenken montierten Antriebe die bewegten Massen und Trägheit der kinematischen Kette. Alternativ können Parallelroboter (PR) verwendet werden, deren Antriebe typischerweise an der Basis befestigt und über kinematische Ketten mit einer mobilen Plattform verbunden sind. Die kinematischen Ketten besitzen geringere bewegte Massen, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit bei denselben Energiegrenzen führt. Ob seriell oder parallel - die Sicherheit des Menschen muss in einer MRK gewährleistet sein. Daher müssen Kollision und Klemmungen erkannt und unverzüglich durch eine Reaktion beendet werden. Im ersten Projektzeitraum wurde die Machbarkeit der Kontakterkennung und -reaktion von PR nachgewiesen. In den Kollisions- und Klemmexperimenten wurde gezeigt, dass durch die Erkennung und Reaktion die Kontakte auch bei höheren Geschwindigkeiten die in der MRK-Norm (ISO/TS 15066) genannten Kraftschwellwerte einhalten. Jedoch hat die Erforschung dieser Methoden ergeben, dass eine sichere MRK mit PR nur unter zusätzlicher Beachtung von inhärenten Limitationen der Parallelrobotik, insbesondere von Eigenkollisionen, Gelenkwinkelgrenzen und Singularitäten im Arbeitsraum, realisiert werden kann. So führt eine Reaktion in der Nähe singulärer Konfigurationen zu hohen Antriebsmomenten und damit zu einer Erhöhung des Verletzungsrisikos für den Menschen. Die Einhaltung dieser betriebskritischen Nebenbedingungen ist entscheidend für die Ausführbarkeit und damit den Erfolg der Kontaktreaktion. Das geplante Vorhaben setzt die Erforschung von PR zur MRK fort, indem die Reaktion um eine Redundanzauflösung zur Einhaltung dieser Grenzen erweitert wird. Für eine frühere Ausführung der Reaktion sollen Kontakte mithilfe von Zeitreihen physikalisch modellierter Größen schneller erkannt werden als mittels konservativ eingestellter Schwellwerte. Dafür wird die Gelenkwinkelmessung mit inertialen Messeinheiten (IMU) fusioniert, um über das Dynamikmodell externe Kräfte schneller als mit in der MRK etablierten Methoden zu bestimmen. Die Neuheit des Vorhabens ist durch (i) die Kontakterkennung mittels einer IMU für PR, (ii) die Betrachtung der Zeitreihen physikalisch modellierter Größen und (iii) die ausführbare Reaktion bezogen auf einen beliebigen Kontaktort gekennzeichnet. Die zu entwickelnden Methoden zur Erkennung und Reaktion sind notwendig für unvorhersehbare Kontakte, welche an einem beliebigen Ort und in jeglicher Gelenkwinkelkonfiguration auftreten können, und ermöglichen damit erstmals eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mit Parallelrobotern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen