Analyse von Kraft-Druck-Messgeräten für eine einheitliche Kontrolle von Kraft- und Leistungsbegrenzten Robotern

Status:

abgeschlossen 06/2020

Zielsetzung:

Für die Beurteilung von kollaborierenden Robotern, die mit einer Leistungs- und Kraftbegrenzung (EN ISO 10218) abgesichert werden, gibt es in der ISO TS 15066 biomechanische Belastungsgrenzwerte. Zur Kontrolle dieser kollaborierenden Roboter-Arbeitsplätze ist eine Messung mit einem biofidelen Kraft-Druck-Messgerät erforderlich, das den zeitlichen Kraftverlauf sowie die Druckverteilung messen kann und gleichzeitig die mechanische Nachgiebigkeit des menschlichen Körpers simuliert. Typische Verformungen bzw. Steifigkeiten für verschiedene Körperregionen sind ebenfalls in der Norm angegeben. Allerdings werden keine genauen Angaben zum Messaufbau und möglicher Messunsicherheiten gemacht. Dies kann dazu führen, dass verschiedene, bereits existierende Kraft-Druck-Messgeräte bei gleicher Belastung zu abweichenden Messergebnissen kommen. Das könnte zu einer Wettbewerbsverzerrung führen und dem Schutzziel entgegenwirken. Es muss sichergestellt werden, dass mit allen Kraft-Druck-Messgeräten verschiedener Hersteller eine gleiche Messprozedur eingehalten wird und bei gleichen Belastungen vergleichbare Messergebnisse ermittelt werden. In diesem Projekt wurden daher die wichtigsten Mess- und Geräteparameter identifiziert und Details für eine einheitliche Gerätespezifikation entwickelt. Die Arbeiten haben den Aufbau eines EU-weit anerkannten Messprotokolls für die Überprüfung von Kraft- und Leistungsbegrenzten Robotern unterstützt, was im Rahmen des COVR-Toolkits (www.safearoundrobots.com) erfolgte.

Aktivitäten/Methoden:

Ein am IFA entwickelter Prüfstand wurde wieder in Betrieb genommen. Mit dem Prüfstand konnten Kraft-Druck-Messgeräte verschiedener Hersteller mit einem elektromagnetisch angetriebenen Aktor, an dem ein Stößel befestigt ist, mechanisch belastet werden. Anhand eines Kraft-Druck-Messgerätes, das gezielt manipuliert wurde, konnten verschiedene Effekte gezeigt und die Wirkung verschiedener Parameter herausgearbeitet werden. Mögliche Parameter waren zu Beginn in einer Literaturstudie ermittelt worden. Die Plausibilität der Ergebnisse konnte mit einer ersten Version eines vereinfachten Feder-Dämpfer-Massen-Systems in Matlab-Simulink ebenfalls simulativ nachvollzogen werden. Zusätzlich wurden Versuche mit einem mechanischen Pendel durchgeführt, die einen Vergleich zwischen verschiedenen Messgeräten ermöglichten. Bisher wurden drei Messgerätetypen (Bauarten) in verschiedenen Varianten (Kombinationen von Kompressionselementen) in einem Vergleich gegenübergestellt, weitere Typen und Varianten können fortan in den Vergleich mit aufgenommen werden.

Ergebnisse:

Der Einfluss, den die verschiedenen Kompressionselemente, mit denen die Messgeräte ausgestattet sind, auf die Messergebnisse ausüben, konnte aufgezeigt werden. Bei unterschiedlichen Messgeräten wurden Abweichungen zumeist zwischen 5 % und 10 % bei gleichen Belastungen beobachtet. Diese aus den mechanischen Eigenschaften entstehenden Abweichungen sind größer als die von den Herstellern angegebenen (elektrischen) Messunsicherheiten. Zudem wurden Steifigkeitskennlinien der verschiedenen Messgerätevarianten aufgenommen. Für eine korrekte Messung müssen die Kennlinien der biofidelen Kraft-Druck-Messgeräte und die mechanische Nachgiebigkeit des menschlichen Körpers möglichst identisch sein. Es wird empfohlen, dieses zu überprüfen, da sich andeutet, dass für einige Varianten die Übereinstimmung noch verbessert werden kann. Zusätzlich zeigte sich, dass die bauartbedingte mitbewegte Masse der Messgeräte einen signifikanten Einfluss auf das Schwingungsverhalten hat. Dieser Parameter wurde in der Literatur bisher nicht beachtet. Die Nachgiebigkeit der Befestigung der Messgeräte hat ebenfalls einen Einfluss auf den Verlauf des Messsignals; Messgeräte sollten möglichst steif befestigt werden, um vergleichbare Messwerte zu erzielen. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen im Rahmen eines EU-weiten Projektes in die Leitlinien zur Robotersicherheit ein. Die Ergebnisse wurden verwendet, um ein Messprotokoll im COVR-Toolkit (www.safearoundrobots.com) zu modifizieren. Das Protokoll hilft Anwendern, die Validität ihrer Roboterapplikation korrekt zu überprüfen und zu dokumentieren.

Stand: