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Direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter
(2005) Thiemermann, Stefan; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)
Die Arbeitsräume des Menschen und des Roboters sind bisher aus Sicherheitsgründen getrennt. Eine solche Trennung ist gerade in Anwendungsgebieten wie der Montage, wo beide Kapazitäten gebraucht werden und ein stetiger Wechsel von manuellen und automatischen Tätigkeiten 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 hierfür wissenschaftliche Erkenntnisse eines benutzerzentrierten Sytemdesigns für eine direkte Mensch-Roboter-Kooperation in der Kleinteilemontage mit einem SCARA-Roboter zu erarbeiten, das an die individuellen menschlichen Eigenschaften angepasst werden kann. Hierfür wurden in experimentellen Untersuchungen der wichtigsten Einflussparameter auf die menschliche Wahrnehmung und Empfindung ermittelt. Bei der Wahrnehmung wurden vor allem die zum Menschen relativen Bewegungsgrößen des Roboters, wie Abstand, Annäherungswinkel, Geschwindigkeit und Beschleunigung untersucht. Anschließend wurde der Einfluss dieser Bewegungsgrößen auf das individuelle Sicherheitsempfinden des Menschen ermittelt. Um diese Größe quantifizieren zu können, wurde als Begriff das Kooperationsvermögen und der damit verbundene Kooperationsfaktor k eingeführt. Das Kooperationsvermögen stellt die individuelle Fähigkeit 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 Überwachung der Mensch-Roboter-Kooperation entwickelt. Zum einen eine Kollosionsüberwachung über einen kinematischen Ansatz, die der Geschwindigkeit des Roboters eindeutige und scharfte Grenzen setzt, um eine Verletzung des Werkers zu verhindern. Zum anderen eine Ergonomieüberwachung über ein Neuro-Fuzzy-System, die die Robotergeschwindigkeit anpasst, um dem Werker das absolute Gefühl der Sicherheit und der Kontrolle über den Roboter zu vermitteln, aber trotzdem die Produktivität des Systems gewährleistet. Da das menschliche Empfinden von Mensch zu Mensch stark variiert, kann das Roboterverhalten über den Kooperationsfaktor individuell eingestellt werden.