11.06.2014
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Entwicklung eines Konzepts zur sicheren Personenerfassung als
Schutzeinrichtung an kollaborierenden Robotern
Fachbereich D der Bergischen Universität WuppertalBjörn Ostermann
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
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Björn Ostermann 2
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Industrielle Praxis
Einleitung11.06.2014
Björn Ostermann 3
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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KollaborierendRoboter und Mensch im „Kontakt“
• Mechanik:– Reduzierte Kräfte
– …
• Sensorik:– Umgebung wahrnehmen
– …
• Steuerung:– Geschwindigkeit reduzieren
– ausweichen
• Psychologie:– Zusammenarbeit mit
schnellem, ausdauernden Partner
Einleitung11.06.2014
Björn Ostermann 4
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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• Forschung– neue, flexible Arbeitsplätze
• Industrie– effiziente Arbeitsplätze
– Arbeitsplätze einsparen
• IFA – DGUV– Bedürfnisse nach Manipulationen senken
– Manipulationen erschweren
– Sicherheit des Arbeitnehmers erhöhen
Einleitung
Ziel kollaborierender Arbeitsplätze
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Björn Ostermann 5
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
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icro
soft
.
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
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Björn Ostermann 6
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These I• Eine
sicherheitsgerichteteÜberwachung eines Arbeitsbereichs mit bekannten Ausmaßen kleiner 5x5m ist mit Sensortechnik ohne Marker möglich.
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Björn Ostermann 7
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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These II• Eine Erfassung und
Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend schnellmöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.
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Björn Ostermann 8
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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These III• Eine Erfassung und
Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend genaumöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.
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Björn Ostermann 9
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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These IV• Mehrere aktive
Sensoren lassen sich zu einem redundanten Array zusammenschalten um eine sichere zweikanalige Auswertung zu ermöglichen. Hierbei wird der notwendige Performance Level „d“nach EN ISO13849-1:2008 erreicht.
1 2 3 4
dmin
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Björn Ostermann 10
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
11.06.2014
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These V• Die in dieser Arbeit
entwickelte Schutzeinrichtung kann die rechtlichen Anforderungen an das Inverkehrbringenerfüllen und damit eine Grundlage zur Erfüllung der Arbeitsschutz-anforderungen an ein kollaborierendes Robotersystem bilden.
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Björn Ostermann 11
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
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Björn Ostermann 12
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AEU-Vertrag(Art. 114) (Art. 153)
ArbSch-Rahm.-RL 89/391/EWG
AMB-RL 2009/104/EG
[…] RL MRL2006/42/EG
Herkunft der Anforderungen
Rechtliche Grundlagen
Freier Warenverkehr Arbeitsschutz
11.06.2014
ProdSG(§ 3 Abs. 1)
[…] ProdSV 9. ProdSV
ArbSchG(§ 19)
BetrSichV
Björn Ostermann 13
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
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• Freier Warenverkehr:– MRL 2006/42/EG, Art. 5(1)a):
Grundlegende Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen erfüllen
– MRL 2006/42/EG, Anhang I, Allgemeine Grundsätze 3:Maßgabe: Stand der Technik
• Arbeitsschutz:– BetrSichV, §7 Abs. 1:
grundsätzlich nur Arbeitsmittel die dem Binnenmarktrecht entsprechen erstmalig bereitstellen
– BetrSichV, §4 Abs. 2:Arbeitsmittel u.a. nach Stand der Technik bereitstellen
Anforderungen
Rechtliche Grundlagen11.06.2014
Björn Ostermann 14
Nut
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mit
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n M
icro
soft
.
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
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Björn Ostermann 15
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• bewegliche Teile, die am Arbeitsprozess beteiligt sind– Schutz durch nichttrennende Schutzeinrichtungen
möglich / zulässig
• Anforderungen an nichttrennende Schutzeinrichtungen– bewegliche Teile vor Erreichen stillsetzen– keine Bewegung zulassen, wenn Personen im
Gefahrenbereich sind
• Sicherheit und Zuverlässigkeit von Steuerungen
• Ingangsetzen– automatisches Wiederingangsetzen nach einer
Abschaltung darf nicht zur Gefährdungssituation führen
• Lärm
Anforderungen aus 2006/42/EG Anhang I
Technische Anforderungen11.06.2014
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mit
Gen
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n M
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• EN ISO 10218 Teil 1 und 2 „Industrielle Roboter“– PLr d; Kategorie 3
• EN ISO 13849-1 „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“– Kategorie 3: einzelne Fehler dürfen nicht zum Verlust der
Sicherheitsfunktion führen
• EN ISO 13855 „Anordnung von Schutzeinrichtungen“– Diagramm
• EN 61496-1 „Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen“– Kategorie 3 ≈ BWS Typ 3
• VDI 2058 2 und VDI 3766 „Am Arbeitsplatz erlaubter Ultraschallpegel“– für 50 kHz: maximaler 5 Minuten Terzschalldruckpegel von bis zu
110 dB kann als unbedenklich angesehen werden– Z-bewertete Spitzenschalldruckpegel: 140 dB
Hilfestellung aus Normen
Technische Anforderungen11.06.2014
Björn Ostermann 17
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• EN ISO 13855 „Anordnung von Schutzeinrichtungen“
Hilfestellung aus Normen
Technische Anforderungen
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Ges
chw
ind
igke
it R
ob
ote
r [m
/s]
Abstand Mensch - Roboter [mm]
Sicherheitstechnisch zulässig 1,5m/s Max.
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Björn Ostermann 18
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 19
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Arbeitssystem
Arbeitssystem
Arbeitsumgebung
Arbeitsablauf
ArbeitenderBenutzer
Arbeits-aufgabe
Arbeits-gegenstand
Arbeits-mittel
Eingabe
Ausgabe
Arbeitsplatz
Arb
eitsrau
m
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Björn Ostermann 20
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Planung des Arbeitssystems
Arbeitssystem
Arb
eits
-g
egen
stan
d
Arb
eits
-g
egen
stan
d
ArbeitenderBenutzer
Arbeits-mittel
Arbeitsplatz
Tisch 2Tisch 1
Beobachter Arbeitsraum
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Björn Ostermann 21
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Arbeitssystem: Demonstrator München
Arbeitssystem
Quelle: EsIMiP – Projektvideo 3
11.06.2014
Björn Ostermann 22
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Arbeitssystem: Demonstrator IFA
Arbeitssystem11.06.2014
Arbeitsraum
Arbeitsmittel
Arbeits-gegenstand
Björn Ostermann 23
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
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Björn Ostermann 24
11.06.2014
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• Elan Safety Controller– sichere kartesische Nocken– sicher begrenzte kartesische Geschwindigkeit
• Arbeitsplätze einzeln geprüft durch BGHM– MRK
• in Schaumstoff gehüllt• druckempfindliche Sensoren• zusätzliche kapazitiven Sensoren
– Bosch– Tetra Gesellschaft für Sensorik
• nur geringe Kräfte
11.06.2014
Stand der Technik
Stand der Technik / WissenschaftBjörn Ostermann 25
Nut
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• Optoelektronische Sensoren– 2D / 3D Kameras
– 2D / 3D Laserscanner
• Ultraschallsensoren
• Taktile / Momenten-Sensoren
• Kapazitive Sensoren
• Radar (Mikrowellen)
11.06.2014
Stand der Wissenschaft
Stand der Technik / WissenschaftBjörn Ostermann 26
Nut
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mit
Gen
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n M
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soft
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 27
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• Übersicht nur bis zum nächsten Objekt
• keine blinden Zonen direkt am Roboter
Erfassungsbereich
Ultraschallsensoren
EindringendesObjekt
Arbeitsplatz
Sensorplatzierung
Allozentrisch• großräumige Übersicht möglich• blinde Zonen zwischen Roboter
und Mensch
Egozentrisch
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Sensoren: Platzierung und Auswahl
Roboter
Blinde Zone
Arbeitsplatz
Björn Ostermann 28
11.06.2014
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Ultraschall• Vorteile
– Robuste Technologie verfügbar– Sichere Sensoren bereits geprüft und zertifiziert– ausreichend kurze Messzeit (<30 ms)
• Nachteile– Totzeit– Aktive Messung: Störung benachbarter Sensoren– nur kürzeste Distanz bis zum ersten gemessenen
Objekt verfügbar– Mögliche Störung durch Umgebungseinflüsse
11.06.2014
Sensorauswahl
Sensoren: Platzierung und AuswahlBjörn Ostermann 29
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Am Roboter• aktueller Demonstrator
mit 18 Ultraschallsensoren
• ¼ des Roboteroberarms abgedeckt
• Redundante Abdeckung des Raums von 17,3 cm bis 83 cm
• Sensorkeulen haben ovalen Schnitt
11.06.2014
Sensoren: Platzierung und AuswahlBjörn Ostermann 30
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Mathematische Vereinfachung
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Sensoren: Platzierung und Auswahl
Seitenansicht
83 cm
17,3 cm
0 cm
30 cm
Björn Ostermann 31
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 32
11.06.2014
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Festlegen der Eckpunkte
11.06.2014
Algorithmus zur RobotersteuerungBjörn Ostermann 33
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Verlust an Genauigkeit
11.06.2014
Algorithmus zur RobotersteuerungBjörn Ostermann 34
11.06.2014
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Kombinieren von Messbereichen
11.06.2014
Algorithmus zur RobotersteuerungBjörn Ostermann 35
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Freier Raum mit Dreiecken
11.06.2014
Algorithmus zur RobotersteuerungBjörn Ostermann 36
11.06.2014
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Bestimmen der Geschwindigkeit
11.06.2014
Algorithmus zur Robotersteuerung
AktuellePosition
ZielPosition
nach 10ms
50% 100%
75%
12,5%
0% 50%
25%
100%
50%
62,5%
Björn Ostermann 37
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 38
11.06.2014
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Performanz
Erreichte Performanz und Sicherheit11.06.2014
• Pro Sensor, zum Erreichen von 99,9% Genauigkeit– 20 Divisionen (~400 Takte)– 306 Multiplikationen (~918 Takte)– 535 Subtraktionen/Additionen (~1070 Takte)– 180 Vergleiche (kleiner/größer) (~360 Takte)
• Bei 80 Sensoren(komplette Abdeckung des unteren Arms)– ca. 1.319.040 Takte– bei 1,3 GHz 1ms Rechenzeit– stark parallelisierbar (2x 750 MHz, 10x 130 MHz)– bei erkannter Kollision in einem Schritt kann abgebrochen
werden– ein Ergebnis ist nach jedem einzelnen Schritt verfügbar
Björn Ostermann 39
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Sicherheit nach EN ISO 13849-1
11.06.2014
Erreichte Performanz und Sicherheit
Mittlerer US Sensor
Rand US Sensor 1
Rand US Sensor 2
Rand US Sensor 3
Rand US Sensor 4
Rand US Sensor 5
Rand US Sensor 6
Kat. 3
Teil eines PL d Systems
Teil eines PL d Systems
Sensor Logik Roboter AktorikRoboter Logik
Roboter interne Positionssensoren
Keine Sicherheitim Rahmen dieser Arbeit
(PC)
Björn Ostermann 40
11.06.2014
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Unbedenklichkeit
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Erreichte Performanz und Sicherheit
maximaler 5-Minuten-Terzschalldruckpegel 110 dB
Grenzwert LZpeak = 140 dBgemessen bei 2cm: LZpeak = 135 dB
Björn Ostermann 41
Nutzung mit Genehmigung von Daniel Förster.
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 42
11.06.2014
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These I• Eine
sicherheitsgerichteteÜberwachung eines Arbeitsbereichs mit bekannten Ausmaßen kleiner 5x5m ist mit Sensortechnik ohne Marker möglich.
11.06.2014
ZusammenfassungBjörn Ostermann 43
Nut
zung
mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
/ 52
These II• Eine Erfassung und
Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend schnellmöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.
Zusammenfassung11.06.2014
Björn Ostermann 44
Nut
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Gen
ehm
igun
g vo
n M
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11.06.2014
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These III• Eine Erfassung und
Verarbeitung der Umgebungsdaten ist ausreichend genaumöglich, um einen geringen Abstand zwischen Mensch und Roboter zuzulassen.
Zusammenfassung11.06.2014
Björn Ostermann 45
Nut
zung
mit
Gen
ehm
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g vo
n M
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soft
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These IV• Mehrere aktive
Sensoren lassen sich zu einem redundanten Array zusammenschalten um eine sichere zweikanalige Auswertung zu ermöglichen. Hierbei wird der notwendige Performance Level „d“nach EN ISO13849-1:2008 erreicht.
Zusammenfassung
1 2 3 4
dmin
11.06.2014
Björn Ostermann 46
Nut
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mit
Gen
ehm
igun
g vo
n M
icro
soft
.
11.06.2014
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These V• Die in dieser Arbeit
entwickelte Schutzeinrichtung kann die rechtlichen Anforderungen an das Inverkehrbringenerfüllen und damit eine Grundlage zur Erfüllung der Arbeitsschutz-anforderungen an ein kollaborierendes Robotersystem bilden.
Zusammenfassung11.06.2014
Björn Ostermann 47
Nut
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mit
Gen
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• Einleitung• Thesen• Rechtliche Grundlagen• Technische Anforderungen• Arbeitssystem• Stand der Technik / Wissenschaft• Sensoren: Platzierung und Auswahl• Algorithmus zur Robotersteuerung• Erreichte Performanz und Sicherheit• Zusammenfassung• Ausblick
Inhalt
11.06.2014
Björn Ostermann 48
11.06.2014
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Sensor-Fusion• Laserscanner mit
großem Sicherheitsabstand für entfernten Armteil
• Geschwindigkeit über Ultraschall kontrolliert, Pfadplanung über Kamera
11.06.2014
AusblickBjörn Ostermann 49
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Sensor-Substitutuion• Einsatz von Radar
– Algorithmen übertragbar
– Schnellere Reaktion
• Probleme– Blinde Zone
undGeringe Auflösungoder
– nur Anzeige von Bewegung
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AusblickBjörn Ostermann 50
Nut
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mit
Gen
ehm
igun
g vo
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Sensorkeulen formen• Formung / Umlenkung
der Ultraschallkeulen
11.06.2014
AusblickBjörn Ostermann 51
/ 52
Ende
Fragen?