Einleitung
Im Bereich der Automatisierungstechnik sind Industrieroboter schon seit vielen Jahren ein unentbehrlicher Produktionsbestandteil. Doch im Laufe der letzten Jahre zeigt sich auch im Bereich der menschzentrierten Produktion ein vermehrtes Interesse an kollaborationsfähigen Leichtbaurobotern, so genannten Cobots, die im Gegensatz zu den altbekannten Schwerlastrobotern nicht mehr räumlich durch einen Schutzzaun getrennt werden müssen. Cobots ermöglichen eine Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK), das heißt eine direkte Interaktion mit dem Menschen, den sie als dritte Hand unterstützen (➥ Abb. 1). Durch diese hybride Arbeitsform können Qualität und Effizienz eines Produktionsprozesses, beispielsweise im Bereich der Montage, erhöht werden (Brandstötter u. Komenda 2020).
Obwohl Cobots aufgrund ihrer hohen Flexibilität, einfachen visuellen Programmierung und verhältnismäßig geringen Kosten viele Potenziale bergen, betrug im Jahre 2019, laut dem World Robotics Report der International Federation of Robotics (IFR 2020), der Anteil an weltweit betrieben Cobots im Verhältnis zur Gesamtmenge der eingesetzten Industrieroboter nur 4,8 %. Das entspricht rund 18.000 der mehr als 373.000 weltweit eingesetzten Industrieroboter (IFR 2020). Zudem ist der Großteil dieser eingesetzten Cobots in der Industrie über eine Sicherheitseinrichtung vom Menschen getrennt. Eine direkte Mensch-Roboter-Kollaboration ist momentan primär in Forschungseinrichtungen und Lernfabriken zu finden (Mayrhofer et al. 2021). Einer der Hauptgründe dafür ist, dass der gemeinsame Arbeitsraum von Mensch und Maschine neue Herausforderungen an die Safety und Security der Systeme schafft, besonders für die Gewährleistung der Personensicherheit (Hofbaur u. Rathmair 2019). Im Falle einer Kollision zwischen Mensch und Roboter müssen so genannte biomechanische Grenzwerte, also Maximalwerte für Kraft und Druck, die in der technischen Spezifikation ISO/TS 15066 festgelegt sind, eingehalten werden. Diese Grenzwerte sind dort für 29 Körperbereiche für einen dynamischen Stoß und ein Quetschen oder Einklemmen einer Körperregion vorgeschrieben. Die hier zuerst erwähnte Kontaktart wird als transienter Kontakt bezeichnet, die zweite als quasistatischer Kontakt. Die Referenzwerte wurden in Studien für Schmerzempfindungen ermittelt (ISO/TS 15066, 2017). Im Körpermodell aus ➥ Abb. 2 ist über die Nummerierungen zu sehen, für welche Regionen biomechanische Grenzwerte existieren. Außerdem ist durch deren unterschiedliche Einfärbungen die Relevanz der Gefahr eines Roboterstoßes in der jeweiligen Region dargestellt. Dunkelrosa Bereiche wie Gesicht, Schädel und Stirn sind am kritischsten, hier ist kein Kontakt mit dem Roboter erlaubt. An helleren Regionen wiederum, wie an den Beinen, können höhere Kontaktkräfte toleriert werden.
Im Rahmen des Konformitätsverfahrens sind in der Risikobeurteilung einer Cobot-Anwendung mögliche Kollisionsstellen zwischen Mensch und Robotern zu identifizieren, und die dort auftretenden Kräfte können mit Hilfe eines biomechanischen Messgerätes ermittelt und anschließend auf Einhaltung der biomechanischen Grenzwerte überprüft werden. Diese Messgeräte bestehen in der Regel aus einem Messkopf mit einer beweglichen Platte, über deren Absenkung die Kraft gemessen wird, da sie über eine Feder mit einem Kraftsensor verbunden ist. Auf der Platte wird ein Dämpfungselement montiert, auf dem Druckfolien zur Erstellung eines Druckprofils aufgelegt werden (Hofbaur u. Rathmair 2019).
Aktuell sind Risikobeurteilung und Zertifizierung ein hochiterativer, kostenintensiver und aufwändiger Prozess, der reale Tests und Laboraufbauten benötigt. Jede Anwendung muss individuell zertifiziert werden, standardisierte Prozeduren hierfür existieren nicht. Prozesssimulationen mit einem digitalen Zwilling des Arbeitssystems bieten die Chance, Zertifizierungsprozesse drastisch zu vereinfachen und dem Aufwand zu reduzieren. Nach dem aktuellen Stand sind biomechanische Grenzwerte nicht, beziehungsweise nicht vollständig, in einer Simulationssoftware integriert (TÜV Austria, Fraunhofer Austria Research GmbH 2017).
Zur Lösung der Problemstellung wird in diesem Artikel ein Konzept vorgestellt, das als Ansatz zur Integration der Grenzwerte in eine bestehende Simulationssoftware herangezogen werden kann.
Konzept zur Ermittlung der Grenzwerte
Das Konzept beschreibt, wie biomechanische Grenzwerte aus bereits vorhandenen Simulationsdaten einer MRK-Anwendung, inklusive dargestellter Kollision, und weiteren Daten von Roboter und ISO/TS 15066 mittels geeigneter Formeln berechnet werden können. Außerdem können daraus auch jene Daten, die für eine automatisierte Berechnung in die Simulation integriert werden müssen, abgeleitet werden. Zur Veranschaulichung ist dieses Konzept in ➥ Abb. 3 grafisch dargestellt.
Vorgehensweise
Angewendet wurde dieses Konzept auf eine Simulation in der Software Tecnomatix Process Simulate, in der eine Kollision zwischen einem Menschmodell und einem Universal Robot UR5 erstellt wurde (➥ Abb. 4). Für diesen einen statischen Fall wurde zuerst eine allgemeine Lösung erarbeitet und später eine konkrete Berechnung zur Überprüfung der Einhaltung der biomechanischen Grenzwerte durchgeführt. Außerdem wurden aus der allgemeinen Lösung die benötigten Daten und Berechnungsalgorithmen abgeleitet, die für eine automatisierte Berechnung in das Programm zu integrieren sind. Zur Vereinfachung der Berechnung wird im Rahmen dieses Artikels nur eine Kollision, die über einen transienten Kontakt erfolgt, untersucht.
Allgemeiner Lösungsansatz
Zu Beginn müssen die Kontaktart (quasistatisch oder transient) und die beteiligten Kollisionspartner, Körperregion des Menschen und Robotergelenk, festgestellt werden. Diese Daten lassen sich visuell aus der Software ermitteln. Wie in Abb. 4 zu erkennen ist, werden die Kollisionspartner rot eingefärbt. Aus der Simulation lässt sich der Zeitpunkt t der aufgetretenen Kollision feststellen. Davon ausgehend kann die Geschwindigkeit v(t) des betroffenen Robotergelenks zum Zeitpunkt t aus dem Geschwindigkeitsverlauf des Roboters abgelesen werden.
Anhand der Information der betroffenen Körperregion können aus Anhang A der ISO/TS 15066 weitere Daten abgelesen werden, wie die effektive Federkonstante k und die effektive Masse mH. Außerdem können für den untersuchten Kollisionsfall mittels der Information über die Kontaktart die biomechanischen Grenzwerte, der maximal zulässige Kontaktdruck pmax und die maximal zulässige Kontaktkraft Fmax aus der technischen Spezifikation entnommen werden.
Darüber hinaus werden auch die Masse der beweglichen Teile des Roboters M und dessen Nutzlast mL, Massen von Werkzeug, Greifer, mG und Werkstück mW für die Berechnung benötigt. Diese Daten sind aktuell nicht in der Software hinterlegt und müssen für den jeweiligen Roboter inklusive Last separat herangezogen werden.
Sind all diese Daten vorhanden, kann im Falle eines transienten Kontakts die Kontaktkraft anhand folgender Formel für die übertragene Energie E, aus dem Anhang A der ISO/TS 15066 berechnet werden:
Das in der technischen Spezifikation vorgestellte Rechenmodell des transienten Kontakts, aus dem sich (1) ergibt, stellt zunächst den Roboter und die beim Stoß betroffenen Körperregion als vereinfachtes Zwei-Körper-Modell dar, zu sehen in ➥ Abb. 5. Im
Augenblick der Betrachtung trifft der Roboter mit seiner effektiven Masse mR und einer relativen Geschwindigkeit vR auf den Menschen, der sich unmittelbar vor dem Stoß nicht in Bewegung befindet. Es wird angenommen, dass es sich bei dem Kontakt um einen völlig unelastischen Stoß handelt und sich unmittelbar danach beide Körper mit der Geschwindigkeit v‘ gemeinsam weiterbewegen, der Roboter jedoch nicht erneut auf den Menschen eindrückt. Die betroffene Körperregion des Menschen wird als Federdämpfersystem modelliert, analog zu einem biomechanischen Messgerät. Darüber hinaus wird angenommen, dass die relative kinetische Energie während des Stoßes vollständig in die betroffene Körperregion übertragen wird (ISO/TS 15066 2017).
Durch Umformung von (1) ergibt sich für die Kontaktkraft F:
wobei vrel die relative Geschwindigkeit zwischen Roboter und Körperregion, also v(t), und µ die reduzierten Massen darstellt. Nach Anhang A der ISO/TS 15066 ist µ folgendermaßen definiert:
wobei mR die effektive Masse des Roboters darstellt, die sich nach Anhang A der ISO/TS 15066 wie folgt ermitteln lässt:
Der Kontaktdruck p kann anschließend folgendermaßen berechnet werden:
A steht für die Kontaktfläche zwischen den beiden Kollisionspartnern, die im Rahmen dieses Ansatzes vereinfacht als quadratische Fläche gesehen und deren Größe durch Abschätzung ermittelt wird. Für eine aussagekräftigere Lösung muss anschließend überprüft werden, ob die angenommene Fläche größer oder gleich der minimal zulässigen Kontaktfläche Amin ist, die sich folgendermaßen berechnen lässt:
Zur Überprüfung der Einhaltung der biomechanischen Grenzwerte müssen folgende Ungleichungen erfüllt sein:
Zusammenfassend sind alle benötigten Daten und Vorgangsschritte für das vorliegende Konzept in ➥ Abb. 6 grafisch dargestellt.
Benötigte Schritte für eine automatisierte Berechnung
Ausgehend vom allgemeinen Lösungsansatz können im Hinblick auf eine automatisierte Berechnung jene Daten beziehungsweise Berechnungsalgorithmen, die in die Simulation zu integrieren sind, abgeleitet werden. Am beschriebenen Beispiel wurde für die verwendete Prozesssimulationssoftware Folgendes festgestellt:
Für das Menschmodell ist es notwendig, für alle in der ISO/TS 15066 definierten expliziten Körperregionen die Werte für k und mH zu hinterlegen. Darüber hinaus sind die biomechanischen Grenzwerte Fmax und pmax für einen transienten und quasistatischen Kontakt für jede Körperregion zu integrieren. Auch die Robotermassen M und mL sind in die Software zu integrieren.
Nachdem die aktuelle Software erkannt hat, welche Körperregionen und wie viele Kollisionspartner an einer Kollision beteiligt sind, sollen daraus zum einen die entsprechenden Werte für k und mH abgerufen werden. Zum anderen muss ein Algorithmus hinterlegt werden, der aus der Anzahl der Kontaktpartner (KP) eine Aussage über die Kontaktart treffen kann: transienter Kontakt bei KP = 1 und quasistatischer Kontakt bei KP > 1. Für die jeweilige Kontaktart kann dann auf die entsprechenden Werte für pmax und Fmax zugegriffen
werden.
Außerdem sind die Formeln (2) bis (4) im Programm zu hinterlegen, um durch Abruf der benötigten Daten die Kontaktkraft zu berechnen. Diese ist anschließend auf Einhaltung der maximal zulässigen biomechanischen Kraft zu überprüfen.
Lösung anhand eines Beispiels
➥ Tabelle 1 stellt die Daten für die Simulation in Abb. 4 dar. ➥ Tabelle 2 zeigt die Werte, die für den rechten Handrücken und einen transienten Kontakt aus der ISO/TS 15066 entnommen wurden, und die Massen des Roboters.
Für die Kontaktfläche am Handrücken wurde eine quadratische Form mit der Größe A = 36 cm² angenommen. Anschließend konnten anhand der Formeln (2) bis (6) die in ➥ Tabelle 3 dargestellten Werte berechnet werden.
Die Werte für F und p liegen somit deutlich unter den zulässigen Grenzwerten, wodurch die Ungleichung aus (7) erfüllt ist. Der angenommene Querschnitt liegt weit über dem minimal zulässigen Wert. Somit sind die biomechanischen Grenzwerte eingehalten, so dass für diesen statischen Fall die Kollision schmerzfrei abläuft.
Diskussion
Anhand des vorgestellten Konzepts konnten biomechanische Grenzwerte für eine Kollision in einer Prozesssimulationssoftware ermittelt und ein Ansatz für eine automatisierte Berechnung geschaffen werden. Analog dazu kann diese Vorgangsweise auch für weitere Simulationsprogramme verwendet werden. In der Software ema IMK Work Designer ist bereits das Berechnungsmodell der ISO/TS 15066 integriert, und es besteht die Möglichkeit, die Kontaktkraft für einen transienten Kontakt zu berechnen. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, dass dort zum aktuellen Stand pro Geschlecht nur drei einheitliche Menschmodelle mit einer vorgegebenen Größe und Körperstatur existieren (Bauer et al. 2019). Da in die Berechnung der Kontaktkraft jedoch Werte der betroffenen Körperregion, wie die effektive Federkonstante und die effektive Masse, miteinfließen, ist die Verwendung von einheitlichen Menschmodellen zur Feststellung der Einhaltung der biomechanischen Grenzwerte nicht aussagekräftig. Folgendes Beispiel veranschaulicht diese Problematik: Für einen identen Stoß kann der Roboter in einem Fall eine Arbeitskraft auf Brusthöhe und im anderen eine größere Person gerade auf Bauchhöhe treffen.
Dieser Ansatz ist allerdings auf einen transienten Kontakt limitiert; für einen quasistatischen müssen aufgrund anderer kinematischer Bedingungen die Formeln für die Berechnung geändert werden. Außerdem ist das Konzept auf eine Kollision, die an einem Robotergelenk stattfindet, limitiert. Für andere Kontakte, beispielsweise zwischen Körperregion und Werkstück, fehlt die Aussage über die Geschwindigkeit.
Außerdem wurde die Größe der Kontaktfläche nur abgeschätzt. Bei Einhaltung der minimal tolerierbaren Fläche ist dieser Ansatz jedoch aussagekräftig. Schließlich ist dieses Konzept nur auf einen statischen Kollisionsfall anwendbar, interessant wären jedoch die Berechnung und Integration des Kraftvektors für eine Vielzahl von Fällen inklusive Risikoabschätzung.
Im Rahmen weiterführender Arbeiten wird dieses Konzept ausgeweitet. Hierbei wird auch ein Berechnungsmodell für den quasistatischen Kontakt entwickelt, analog zu jenem des transienten aus der ISO/TS 15066. Außerdem wird in weiterer Folge das simulierte Beispielszenario als reales Experiment aufgebaut, Kontaktkraft und -druck werden mit einem biomechanischen Messgerät gemessen und mit den Werten der Berechnung verglichen.
Danksagung: Ein besonderer Dank gilt den Expertinnen und Experten von TÜV Austria für die Unterstützung im Rahmen des SafeSecLab (Research Lab for Safety and Security in Industry), in dem die Ergebnisse dieses Artikels entstanden sind. Darüber hinaus wird die Forschung durch die BMK-Stiftungsprofessur HCCPPAS (Human Centered Cyber Physical Production and Assembly Systems) ermöglicht.
Interessenkonflikt: Die Erstautorin und ihr Koautor geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Literatur
Bauer S, Sylaja VJ, Fritzsche L, Ullmann S: Task-based digital human simulation with Editor for Manual work Activities – Basic functionalities, applications, and future works. In: Scataglini S, Paul G (Hrsg.): DHM and Posturography. Amsterdam: Elsevier, 2019, S. 57–62.
Brandstötter M, Komenda T: Gegenwart und Zukunft kollaborationsfähiger Robotersysteme. Dortmund: GfA-Press, 2020.
DIN ISO/TS 15066 (April 2017). DIN SPEC 5306 – Roboter und Robotikgeräte – Kollaborierende Roboter.
Hofbaur M, Rathmair M: Physische Sicherheit in der Mensch-Roboter Kollaboration. e & i Elektrotechnik und Informationstechnik 2019 (7): 301–306.
IFR – International Federation of Robotics: Demystifying collaborative industrial robots. Frankfurt: International Federation of Robotics, 2020.
Mayrhofer W, Nixdorf S, Fischer C, Zigart T, Schmidbauer C, Schlund S: Learning nuggets for cobot education: a conceptual framework, implementation, and evaluation of adaptive learning content. SSRN Electronic Journal, 2021 (doi:10.2139/ssrn.3868713).
Weitere Infos
TÜV Austria, Fraunhofer Austria Research GmbH: Sicherheit in der Mensch-Roboter-Kollaboration (2017)
https://www.tuv.at/fileadmin/user_upload/docs/group/innovation/tuv-aust…
Kernaussagen
Koautor
An der Erstellung des Beitrags beteiligt war Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Sebastian Schlund, Technische Universität Wien,
Institut für Managementwissenschaften, BMK-Stiftungsprofessor für Human Centered Cyber Physical Production and Assembly Systems, Wien, Österreich
Kontakt
Foto: Johann Li
