Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter
Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter
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直接与 SCARA 机器人的小蒙太奇合作
DOI：
10.18419/opus-4035
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发表时间：
2005
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
S. Thiemermann
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
S. Thiemermann
人类和机器人的工作场所是安全的。在蒙太奇的操作过程中，我们要注意的是，在操作过程中，我们会使用手动操作和自动操作，通常会发生这种情况。
在劳动战争中，工人和机器人在生产过程中的罢工和机器人的罢工以及更深入的科学认识和系统设计在克莱恩特勒蒙太奇中直接进行了人机机器人合作SCARA-Roboter zu Erarbeiten，das an die individuellen menschlichen Eigenschaften angepasst werden kann.
实验中的主要任务是根据每个参数进行实验。机器人的所有相关行为都与机器人相关，即保持、稳定、操作和理解。 Anschliesend wurde der Einfluss dieser Bewegungsgrosen auf das individuelle Sicherheitsempfinden des Menschen ermittelt。嗯，这就是关于合作操作的量化，以及合作操作的概念和合作操作的实际情况。协作操作是机器人和系统中个体操作和工作的基础。
理解人类机器人合作过程中的概念和实验数据基础。这是一个超级运动安萨茨的碰撞运动，是机器人的设计和格林森设定，是一个关于工人的行动。神经模糊系统中的人体工学和机器人控制，是机器人的绝对控制和控制，是系统生产的关键。人类的本质是人类的各种不同的行为，机器人的操作是个体合作的基础。
人机合作的开始需要进行完整的人体工程学审查，以开发高效的系统。为了实现人机合作的接受，发展必须始终在安全和人类个人安全意识的基础上进行。目标是以用户为中心的系统设计，可以适应个体的人类特征。
在形态学过程中开发了以下子系统的替代方法，并选择了最佳概念：
· 人机协作工作流程
· 符合人体工程学的机器人行为
· 控制系统，由传感器技术和程序组成
· 合作站及其与现有装配系统的集成
通过观察重叠的工作空间，人与机器人合作的工作例程的三种不同操作模式是由于人类和机器人的局部和时间分离的变化而产生的。通过对机器人、工人可能的停机情况的分析，以及由于协作和一般恢复步骤之间的依赖性，可以得出适当的操作模式。工人可以随时在正常程序模式下干预机器人的工作程序并对其进行操作。
对于符合人体工程学的机器人姿态，选择“连续路径”程序。选择笔直的接近路径，直到转移到公共工作空间的灵活点。灵活的转移点始终垂直于工作位置布置，以便工人清楚地向工人发出机器人运动的目标。为了设定符合人体工程学的速度，开发了符合人体工程学的控制装置，它可以适应工人的不同经验程度和安全感。传感器技术 选择CCD相机并与适当的彩色图像处理系统连接。由于相机的溶解性而带来的高测量精度以及与红外相机相比的低成本对于 CCD 相机和彩色图像处理系统的使用来说是决定性的。为了满足安全要求，开发了一个控制系统，它可以通过适当的案例定义对每种可能的情况做出最佳反应。由于SCARA机器人简单的4轴动力学，机器人的总运动可分为两个阶段：主轴运动和垂直轴运动。总运动的细分也对应于危险分析中的推挤、挤压和剪切等关键危险。协作站的设计方式是人与机器人相对站立，工件静止在中心，工人的躯干在机器人工作空间之外处于正常工作姿势。因此，两个交互伙伴都可以不受限制地接触工件，并且可以尽可能自由地移动。为了实现以用户为中心的系统设计，对人类感知和感官最重要的参数进行了实验研究。通过感知，检查了机器人的所有运动量，如距离、接近角、速度和加速度。随后，确定了这些运动量对人类个体安全感的影响。为了能够量化这个规模，引入了合作能力和相关的合作因素。协作能力代表了工人与机器人和系统协作的个人能力和准备程度。合作能力随实践程度和工作者的经验而变化，并受到日常个人表现和动机波动的影响。
开发了人机合作控制程序。一方面，采用运动学方法的碰撞控制对机器人的速度设置了明确而严格的限制，以防止工人受伤。另一方面，对神经模糊系统的人体工程学控制可以调整机器人速度，为工人提供绝对的安全感和机器人的控制感，同时确保系统的生产力。由于人类的感受因人而异，因此机器人的行为可以通过合作因素进行单独调整。
作为技术可行性的证明和理论结果的验证，在装配系统中实现了人机直接合作的试点系统并通过示例产品进行了测试。一方面，小型产品装配中标准应用的直接人机合作的好处得到了证明。另一方面，显示了控制程序的适用性，其中测量了装配作业的时间进度、学习曲线和测试人员的合作因素的调整。
Die Arbeitsraume des Menschen und des Roboters sind bisher aus Sicherheitsgrunden getrennt. Eine solche Trennung ist gerade in Anwendungsgebieten wie der Montage, wo beide Kapazitaten gebraucht werden und ein stetiger Wechsel von manuellen und automatischen Tatigkeiten verlangt wird, oft nicht mehr sinnvoll.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die strikte sicherheitstechnisch bedingte Trennung von Werker und Roboter in der Produktion aufzuheben und hierfur wissenschaftliche Erkenntnisse eines benutzerzentrierten Sytemdesigns fur eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter zu erarbeiten, das an die individuellen menschlichen Eigenschaften angepasst werden kann.
Hierfur wurden in experimentellen Untersuchungen der wichtigsten Einflussparameter auf die menschliche Wahrnehmung und Empfindung ermittelt. Bei der Wahrnehmung wurden vor allem die zum Menschen relativen Bewegungsgrosen des Roboters, wie Abstand, Annaherungswinkel, Geschwindigkeit und Beschleunigung untersucht. Anschliesend wurde der Einfluss dieser Bewegungsgrosen auf das individuelle Sicherheitsempfinden des Menschen ermittelt. Um diese Grose quantifizieren zu konnen, wurde als Begriff das Kooperationsvermogen und der damit verbundene Kooperationsfaktor k eingefuhrt. Das Kooperationsvermogen stellt die individuelle Fahigkeit und Bereitschaft des Werkers zur Zusammenarbeit mit dem Roboter und dem System dar.
Entsprechend der Konzeption und auf Datenbasis der experimentellen Untersuchungen wurden Verfahren zur Uberwachung der Mensch-Roboter-Kooperation entwickelt. Zum einen eine Kollosionsuberwachung uber einen kinematischen Ansatz, die der Geschwindigkeit des Roboters eindeutige und scharfte Grenzen setzt, um eine Verletzung des Werkers zu verhindern. Zum anderen eine Ergonomieuberwachung uber ein Neuro-Fuzzy-System, die die Robotergeschwindigkeit anpasst, um dem Werker das absolute Gefuhl der Sicherheit und der Kontrolle uber den Roboter zu vermitteln, aber trotzdem die Produktivitat des Systems gewahrleistet. Da das menschliche Empfinden von Mensch zu Mensch stark variiert, kann das Roboterverhalten uber den Kooperationsfaktor individuell eingestellt werden.
The beginning of a man-robot-cooperation requires a complete ergonomic review around to develop an efficient system. In order to reach an acceptance of man-robot-cooperation, the developments must always take place under the aspect of security and the individual safety senses of humans. The goal is a user-centred system design, which can be adapted to the individual human characteristics.
Alternative approaches for the following subsystems were developed in a morphologic proceeding and the optimal concepts are selected:
· Work routine of man-robot-cooperation
· Ergonomic robot behaviour
· Control system, consisting of sensor technology and procedures
· Cooperation station and its integration into existing assembly systems
By looking at the overlapping work space, three different operating modes for the work routine of man-robot-cooperation result from the variation of local and temporal separation from humans and robot. From the analysis of the possible downtime situations of the robot, the worker and due to the dependence in cooperation and general recovery steps, appropriate manipulation modes can be derived. The worker has at any time and in the normal program mode the possibility to intervene in the work routine of the robot and to manipulate it.
For an ergonomic robot attitude the "Continuous Path" procedure is selected. Straight approach paths are selected, up to the flexible point of transferring into the common work space. The flexible points of transferring are always arranged perpendicularly to the working location, in order to signal the worker clearly the goal of the robot movement. To set an ergonomic speed an ergonomic control is developed, which can be adapted to the most different experience degrees and safety feeling of the workers. Sensor technology CCD cameras are selected and connected with an appropriate colour image processing system. The high measuring accuracy, due to the dissolution of the cameras, and the low costs compared to infrared cameras is decisive for the use of CCD cameras and a colour image processing system. In order to fulfil the requirements to security, a control system is developed, which can optimally react on each possible situation by appropriate definitions of cases. Due to the simple 4-axis kinetics of the SCARA robot, the total movement of the robot can be divided into two phases: main axis movement and vertical axis movement. This subdivision of the total movements corresponds also to the crucial endangerments pushing, crushing and shearing from the hazards analysis. The cooperation station is designed in such a way that man and robot stand opposite each other, the work piece lies stationary in the centre and the torso of the worker is in the normal work stance outside of the work space of the robot. Thus both interaction partners have unrestricted access to the work piece and nevertheless can move as freely as possible. In order to achieve a user-centred system design, experimental investigations of the most important parameters on the human perception and senses were carried out. With the perception above all motion quantities of the robot like distance, approach angle, speed and acceleration were examined. Subsequently, the influence of these motion quantities on the individual safety sense of humans were determined. In order to be able to quantify this size the cooperation ability and the associated cooperation factor were introduced. The cooperation ability represents the individual ability and readiness of the worker to cooperate with the robot and the system. The cooperation ability varies with the practice extent and the experience of the worker and is subjected to daily individual performance and motivation fluctuations.
Procedures for the control of man-robot-cooperation were developed. On the one hand a collision control with a kinematic approach, which sets clear and sharp limits to the speed of the robot, in order to prevent an injury of the worker. On the other hand an ergonomic control over a Neuro-Fuzzy system, which adapts the robot speed to give the worker the absolute feeling of security and control of the robot, but although ensures the productivity of the system. Since human feelings strongly vary from human to human the robot behaviour can be individually adjusted by the cooperation factor.
As proof of the technical feasibility and for the verification of the theoretical results a pilot system for a direct man-robot-cooperation in assembly systems was realised and tested by an example product. On the one hand the benefit of a direct man-robot-cooperation for a standard application in the small products assembly was proven. On the other hand the applicability of the control procedures was shown, in which the temporal progress of an assembly job, the learning curve and the adjustment of the cooperation factor of the test persons were measured.