Univerza v Ljubljani
Fakulteta za elektrotehniko
Mario Klenov²ek
Analiza dinami£nih trkov sodelujo£ega robota
Magistrsko delo
Magistrski ²tudijski program druge stopnje Elektrotehnika
Mentor: prof. dr. Matjaº Mihelj Somentor: as. dr. Sebastjan lajpah
Ljubljana, 2021
Zahvala
Iskreno bi se rad zahvalil svojemu mentorju prof. dr. Matjaºu Mihlju in somen- torju as. dr. Sebastjanu lajpahu za nudeno strokovno pomo£ in konstruktivne komentarje pri izdelavi in pisanju magistrske naloge.
Zahvalil bi se tudi svojim najbliºjim in prijateljem za vso pomo£ in podporo, ki so mi jo izkazali v £asu ²tudija
iii
Povzetek
Zaradi premika industrije od masovne proizvodnje k masovnemu prilagajanju je ºeljo po popolni avtomatizaciji industrijskega procesa izrinila ºelja po delni avtomatizacij. Pri delni avtomatizaciji gre predvsem za sodelovanje med robotom in £lovekom pri izdelavi skupnega izdelka. Pri tak²nih aplikacijah postane velik problem zagotavljanje varnosti delavcev, ki si delijo delovni prostor z robotom.
Da bi bili namerni ali nenamerni kontakti med operaterjem in strojem varni, so v zadnjih letih iz²li ²tevilni standardi, ki pokrivajo podro£je varnosti. Ti dokumenti zahtevajo izvedbo detajlne analize tveganj vsake izdelane sodelovalne aplikacije. S pomo£jo analize se ugotovi morebitne nevarne kontakte, pri katerih je potrebno izmeriti silo kontakta. Izmerjene vrednosti morajo biti manj²e, kot so dopustne meje podane v standardih. Do sedaj so se meritve izvajale s togo vpetim merilnim sistemom. Pri teh trkih se ne upo²teva mase in naravne reakcije prostega segmenta telesa ob trku.
Za£etna ²tudija je temeljila na standardu ISO/DIS 21260, ki je bil kasneje izbrisan ter je sluºila zgolj kot dokaz koncepta. V tej ²tudiji smo ocenili sile trkov, ki smo jih pomerili s pomo£jo merilne celice pritrjene na linearnih vodilih. Merilni sistem je bil prosto gibljiv v smeri trka. Pri meritvah smo merilnemu sistemu dodajali uteºi, s £imer smo posnemali dinamiko razli£nih delov £love²kega telesa.
Rezultati so pokazali statisti£no signikantno povezavo med hitrostjo gibanja robota in maso merilnega sistema ter izmerjeno silo trkov.
Nova izdaja standarda ISO/DIS 102182:2021 opisuje sistem za merjenje di- nami£nih trkov, vendar se ta merilna metoda trenutno ²e ne uporablja. Obstoje£i merilni sistem, uporabljen v prej²nji ²tudiji, smo nadgradili z zamenjavo merilne celice. Uporabili smo 1D merilno celico s piezo kristalnim elementom za vi²jo frekvenco vzor£enja. Zamenjali smo obstoje£a linearna vodila, ki so uporabljala v
drsne pu²e, z vodili, ki uporabljajo krogli£ne leºaje. S tem smo zmanj²ali tre- nje pri gibanju merilnega sistema. Poleg tega smo naredili preprost sistem za kompenzacijo gravitacije, ki prepre£uje neºeleno premikanje merilnega sistema pri merjenju trkov v navpi£ni smeri. Za zagotovitev £im bolj zanesljivih meritev smo uporabili umerjene vzmeti in gume komercialno dostopnega merilnega sis- tema. Nov merilni sistem smo pritrdili na vrh robotskega manipulatorja, da bi s tem pokrili ve£ji del delovnega prostora in avtomatizirali postopek merjenja.
Robotski programi so bili zasnovani v simulacijskem okolju, ki smo jih prenesli v krmilnike robotov.
Primerjali smo trke v razli£nih to£kah delovnega prostora, pri razli£nih smereh in hitrostih robota ter razli£nih masah merilnega sistema. Rezultati so pokazali, da hitrost robota in masa merilnega sistema mo£no vplivata na silo trkov, medtem ko imata smer in to£ka udarca manj²i vpliv. Na podlagi izmerjenih vrednosti je moºno presoditi varnost trkov v izbranih to£kah delovnega prostora. e so kon- takti pri dolo£enih masah znotraj mej podanih v standardu, lahko za te kontakte trdimo, da so varni. Kontakte, ki presegajo limite, je potrebno bodisi prepre£iti, bodisi robotu omejiti hitrost ali mo£.
Klju£ne besede: sodelujo£i robot, merilni sistem, merjenje trkov, varnost, sila, standard.
Abstract
In recent years, the industry shifted from mass production to mass adaptation, so the need for partial automation of the industrial process overcame full automa- tion. Partial automation covers the cooperation between a robot and a human in the production of a product. In such applications, the safety of workers who share a workspace with a robot becomes a signicant problem. Several standards have been issued in recent years to ensure that intentional or unintentional contacts between the operator and the machine are as safe as possible. These documents direct a detailed risk analysis of each developed collaborative application. The analysis is used to identify potentially dangerous contacts where contact force must be evaluated. The measured values must be lower than the permissible limits given in the standards to ensure safety. To date, such measurements have been performed with a rigidly mounted measuring system. These types of mea- surements do not consider the mass and natural reactions of the free segment of the human body after impact.
The initial proof-of-concept study was based on a standard ISO/DIS 21260 that was later deleted. In this study, we assessed impact forces measured by a force sensor mounted on linear rails. The force sensor was freely movable in one direction. In the experiment, dierent weights were added to the measurement system mimicking dierent dynamics of human body parts. Results showed a statistically signicant correlation between robots velocity and mass of the mea- surement system and impact forces.
The new edition of ISO/DIS 102182:2021 covers a transient collision mea- surement system, but this measurement method is currently not in use. We improved the existing measurement system used in the previous study by replac- ing the force sensor with a 1D measuring force cell with a piezo crystal element vii
for a higher sampling frequency. We replaced the existing rails that used sliding bushings and used ball bearings, thus reducing friction. In addition, we con- structed a simple gravity compensation system to prevent unwanted movement of the measuring system while measuring impact in the vertical direction. We used calibrated springs and rubber pads of a commercially available system to ensure the most reliable measurements possible. We attached the new measur- ing system onto a robot to cover a larger part of the workspace and automate the measuring process. Robotic programs were designed in a simulation environ- ment, which enabled us to export the constructed programs to the controllers of the robots.
We compared collisions in dierent points within the selected part of the workspace at dierent directions, the robot's speeds, and the mass of the mea- surement system. Results showed that the robot's speed and mass of the mea- surement system signicantly aect impact forces, while the direction of impact and the impact point have a smaller eect. Based on the measured values, it is possible to assess the safety of the contacts at selected points in the work area. If the contacts at specic masses are within limits given in the standard, we can say that these contacts are safe. Contacts that exceed the limits must be prevented, or the robot's speed or power must be limited.
Key words: collaborative robot, measuring system, force measurement, safety, force, standard.
Vsebina
1 Uvod 1
1.1 Sodelujo£i roboti . . . 2
1.1.1 Zgodovina . . . 2
1.1.2 Proizvajalci . . . 6
1.1.3 Interakcija £loveka in robota . . . 9
1.2 Robotski standardi . . . 12
1.2.1 Kronolo²ki pregled . . . 13
1.2.2 ISO/DIS 10218 - 2: 2021 . . . 19
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom . . . 23
1.3.1 Komercialni merilni sistemi . . . 24
1.3.2 Inercijski parametri . . . 28
1.4 Cilji naloge . . . 30
2 tudija izvedljivosti 31 2.1 Eksperimentalni sistem . . . 31
2.2 Merilni protokol . . . 33 ix
2.3 Rezultati . . . 35
2.3.1 Primerjava z referen£nim merilnikom . . . 35
2.3.2 Premi£ni senzor . . . 36
2.3.3 Mirujo£i senzor . . . 38
3 Merjenje dinami£nih sil trka robota 41 3.1 Merilni protokol . . . 45
3.1.1 Razdelitev delovnega prostora robota UR5e . . . 47
3.1.2 Potek meritev . . . 51
3.2 Umerjanje in primerjava s komercialnim merilnim sistemom . . . 54
4 Analiza dinami£nega trka 57 4.1 Potek sile in hitrosti . . . 57
4.2 Sredinska smer trkov . . . 61
4.3 Pre£na smer trkov . . . 64
4.4 elna smer trkov . . . 69
4.5 Primerjava med smermi trkov . . . 72
4.6 Statisti£na analiza dinami£nih trkov . . . 77
4.7 Masa orodja UR robota . . . 80
5 Zaklju£ek 85
Literatura 87
Vsebina xi
A Pozicije in orientacije vrha robota v merilnih to£kah 95
Seznam slik
1.1 Prvi sodelujo£i robot . . . 3
1.2 Prototip sodelujo£ega robota z vzdevkom "Scooter". . . 5
1.3 Razdelitev delovnega prostora pri skupnih nalogah. . . 11
1.4 Stopnje interakcije med robotom in operaterjem . . . 12
1.5 Model teles z ozna£enimi to£kami, kjer so dolo£ene biomehanske meje. . . 17
1.6 Shematski merilnika za merjenje sile in/ali pritiska. . . 21
1.7 PILZ PRMS komplet za merjenje. . . 25
1.8 GTE CoboSafe merilni sistemi . . . 26
1.9 Merilni sistem za izvajanje storitev merjenja trkov in²tituta Fra- unhofer IFF . . . 28
2.1 Model sestavljenega merilnega sistema uporabljenega pri ²tudiji izvedljivosti. . . 33
2.2 Pokr£ena konguracija in iztegnjena konguracija sodelujo£ega ro- bota . . . 34
2.3 Postavitev merilnega sistema pred trkom pri iztegnjenem komol£- nem sklepu. . . 35
xiii
2.4 Srednja vrednost sile pri trku v iztegnjeni in pokr£eni konguraciji z razstrosom pri razli£nih hitrostih in masah merilnega sistema, kjer p < ozna£ue signikantno razliko med meritvami v razli£nih
konguracijah. . . 37
3.1 Kistler 5073A oja£evalnik naboja in Kistler 9313AA1 senzor sile. . 42
3.2 Model sestavljenega merilnega sistema in sestavljen merilni sistem. 43 3.3 Vodilo in vozi£ek s kotalnimi leºaji. . . 44
3.4 Shema merilnega sistema pri merjenju trkov. . . 44
3.5 Postavitev robotov v simulacijskem programu RoboDK pri izdelavi programov. . . 46
3.6 Stranski pogled delovnega prostora UR5e robota. . . 47
3.7 Shematski prikaz razdelitve delovnega prostora sodelujo£ega ro- bota pri izvajanju trkov. . . 48
3.8 Prikaz to£k izbranega delovnega prostora v koordinatnem sistemu UR5e robota. . . 49
3.9 Prikaz singularnosti zapestnega sklepa robota UR5e. . . 50
3.10 Postavitev robotov pred trkom v sredinski smeri. . . 51
3.11 Postavitev robotov pred trkom v pre£ni smeri. . . 52
3.12 Postavitev robotov pred trkom v £elni smeri. . . 53
3.13 Postavitev z obremenjenim UR robotom. . . 53
3.14 Prileganje linearne funkcije na ekstrapolirane vrednosti pri umer- janju merilnega sistema. . . 55
3.15 Postavitev PILZ senzorja in na²ega senzorja pri primerjavi. . . 56
Seznam slik xv
4.1 Potek sile pri razli£nih hitrostih. . . 58 4.2 Potek hitrosti pri gibanju v sredinski smeri in sila na vrhu robota,
kjer rumena £rta prikazuje £as trka robota z merilnim sistemom. . 59 4.3 Potek hitrosti pri gibanju v pre£ni smeri in sila na vrhu robota,
kjer rumena £rta prikazuje £as trka robota z merilnim sistemom. . 59 4.4 Potek hitrosti pri gibanju v £elni smeri in sila na vrhu robota, kjer
rumena £rta prikazuje £as trka robota z merilnim sistemom. . . . 60 4.5 Primer nedoseºene ºeljene hitrosti vrha robota, kjer rumena £rta
prikazuje £as trka robota z merilnim sistemom. . . 60 4.6 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 1 sredinske smeri trkov. . . 61 4.7 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 2 sredinske smeri trkov. . . 62 4.8 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 3 sredinske smeri trkov. . . 63 4.9 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 4 sredinske smeri trkov. . . 64 4.10 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 1 pre£ne smeri trkov. . . 65 4.11 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 2 pre£ne smeri trkov. . . 66 4.12 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 3 pre£ne smeri trkov. . . 67 4.13 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 4 pre£ne smeri trkov. . . 68
4.14 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po- samezni to£ki ravnine 1 £elne smeri trkov. . . 69 4.15 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 2 £elne smeri trkov. . . 70 4.16 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 3 £elne smeri trkov. . . 71 4.17 Povpre£ne vrednosti izmerjene sile s pripadajo£imi raztrosi v po-
samezni to£ki ravnine 4 £elne smeri trkov. . . 72 4.18 Izmerjene sile vseh smeri trkov v ravnini 1, pri masi 0,6 kg, 2,6 kg
in 5,6 kg. . . 73 4.19 Izmerjene sile vseh smeri trkov v ravnini 2, pri masi 0,6 kg, 2,6 kg
in 5,6 kg. . . 75 4.20 Izmerjene sile vseh smeri trkov v ravnini 3, pri masi 0,6 kg, 2,6 kg
in 5,6 kg. . . 76 4.21 Izmerjene sile vseh smeri trkov v ravnini 4, pri masi 0,6 kg, 2,6 kg
in 5,6 kg. . . 77 4.22 Prikaz vpliva mase merilnega sistema in hitrosti gibanja vrha ro-
bota na izmerjeno silo trka. . . 78 4.23 Prikaz vpliva mase merilnega sistema, smeri in hitrosti gibanja
vrha robota na izmerjeno silo trka. . . 80 4.24 Primerjava sile pri neobremenjenem in obremenjenem robotu v
sredinski smeri trkov. . . 81 4.25 Primerjava sile pri neobremenjenem in obremenjenem robotu v
pre£ni smeri trkov. . . 82 4.26 Primerjava sile pri neobremenjenem in obremenjenem robotu v
£elni smeri trkov. . . 83
Seznam tabel
1.1 Mejne vrednosti pritiskov in sile pri trku robota s £lovekom za
posamezne dele £love²kega telesa. . . 16
1.2 Efektivne mase in koecienti vzmeti za modeliranje posameznih delov telesa. . . 18
1.3 Limite za dinami£ne trke. . . 19
1.4 Specikacije merilnega sistema za razli£na podro£ja telesa. . . 22
1.5 Posodobljeni inercijski parametri za ºenski in mo²ki spol. . . 29
2.1 Primerjava rezultatov predstavljenega merilnega sistema in komer- cialnega merilnega sistema. . . 36
2.2 Izmerjene sile pri mirujo£em senzorju. . . 39
3.1 Specikacije ABB robota. . . 41
3.2 Primerjava rezultatov med izdelanim in komercialnim merilnim sis- temom. . . 55
A.1 Pozicija in orientacija vrha robota v vsaki merilni to£ki ravnine 1. 96 A.2 Pozicija in orientacija vrha robota v vsaki merilni to£ki ravnine 2. 97 A.3 Pozicija in orientacija vrha robota v vsaki merilni to£ki ravnine 3. 98 xvii
A.4 Pozicija in orientacija vrha robota v vsaki merilni to£ki ravnine 4. 99
Seznam uporabljenih simbolov
V zaklju£nem delu so uporabljene naslednje veli£ine in simboli:
Veli£ina / oznaka Enota
Ime Simbol Ime Simbol
sila F newton N
povpre£na sila F newton N
standardna deviacija SD newton N
frekvenca f hertz Hz
hitrost v / m/s
masa m kilogram kg
napestost U volt V
pozicija p meter m
orientacija o radian rad
xix
1 Uvod
V industrijskih aplikacijah se v zadnjih letih vse bolj uveljavlja sodelovanje med
£lovekom in robotom. K temu je predvsem pripomogel premik industrije od masovne proizvodnje k masovnemu prilagajanju in izdelava izdelkov s kraj²o ºi- vljenjsko dobo. Pri proizvodnji tak²ni izdelkov je popolna avtomatizacija proi- zvodnje zamuden in predvsem drag postopek, zaradi £esar je v takih primerih bolj primerna delna avtomatizacij z uporabo tako imenovanih sodelovalnih aplikacij.
Pri teh aplikacijah robot pomaga £loveku, med seboj pa si delita naloge, katere lahko izvajata so£asno. Tak na£in ob£utno skraj²a £as izdelave izdelka ter po- ve£a njegovo natan£nost v primerjavi z ro£no izdelavo. Po drugi strani je tak²na proizvodnja precej bolj eksibilna v primerjavi s klasi£no industrijsko aplikacijo.
Tako lahko zdruºimo dobre lastnosti z obeh strani [1].
Robot je natan£nej²i, ima ve£jo nosilnost in ponovljivost kot £lovek, ni pa eksibilen oz. prilagodljiv na trenutne situacije. Z izkori²£anjem tako podporne mo£i kot tudi natan£nega vodenja in odziva interaktivnih robotskih naprav, lahko operater optimalno usklajuje in nadzoruje gibanje robota medtem, ko uporablja svoje zaznavanje, inteligenco, izku²nje in spretnosti za izvajanje kompleksnih na- log. K skupnemu sodelovanju pripomore tudi moºnost vodenja in u£enja to£k z roko. Tak²ni roboti so tudi bolj varno zasnovani, ni jim potrebno lo£iti de- lovnega prostora s zi£nimi pregradami, zaradi £esar njihova uporaba zavzame manj prostora. V primerjavi s klasi£nimi industrijskimi aplikacijami, ki so na- menjene avtomatizaciji to£no dolo£enega procesa, se te robotske celice enostavno prilagodijo za izvajanje razli£nih nalog [2, 3].
1
1.1 Sodelujo£i roboti
Med sodelujo£e robote uvr²£amo vse robotske manipulatorje, ki si bodisi delijo delovni prostor s £lovekom, bodisi med njima prihaja do namernih ali nenamernih interakcij pri izvajanju skupne ali lo£ene naloge. Z vpeljavo sodelovanja se je pove£ala u£inkovitost dela, saj ni potrebno celotne robotske celice prilagoditi novi nalogi, kot bi to bilo potrebno pri industrijskih robotskih celicah. S tem se skraj²a £as nedejavnosti robota ali operaterja.
1.1.1 Zgodovina
Pobuda za razvoj sodelujo£ih robotov je bila iniciativa korporacije General Motors (GM v nadaljevanju) iz leta 1994, katere namen je bil najti na£in, kako robote ali robotom podobno opremo narediti dovolj varno za sodelovanje z ljudmi. Glaven razlog za razvoj sodelujo£ih robotov je bil razbremeniti zaposlene v avtomobilski industriji, kot tudi prepre£iti nastajanje po²kodb zaradi tovrstnega dela. Veliko vidikov avtomobilske proizvodnje je bilo do tedaj ºe avtomatiziranih, vseeno pa je bilo premalo napredka pri avtomatizaciji montaºnega postopka, kot so integracija vrat, sedeºev in armaturne plo²£e na barvano lupino karoserije. Pri teh delih so potrebne sposobnosti ljudi, ki jih, je teºko nadomestiti z avtomatizacijo postopka, kot so pobiranje delov iz nestrukturiranih okolij, prepoznavanje okvarjenih delov, montaºa delov kljub manj²im spremembam oblike in postopka izdelave itd. Kor- poracija je za re²itev tega problema vklju£ila strokovnjake za robotiko z univerze v Kaliforniji, Berkeleyju in Northwesternu. Naprave, ki so nastale zaradi teh pri- zadevanj so pozneje poimenovali inteligentne pomoºne naprave (ang. intelligent assist devices IAD).
Med izumitelja sodelujo£ih robotov spadata profesorja J. Edward Colgate in Michael Peshkin z ameri²ke Univerze Northwestrn. Iskala sta na£in, kako bi ro- boti lahko izbolj²ali ergonomijo delavcev, ne da bi sami povzro£ali nova tveganja.
Njuna ideja je bila ustvariti robotske manipulatorje, ki ne bi nadomestili ljudi, temve£ bi z njimi sodelovali. Za robote je to pomenilo gibanje pod ra£unalni²kim nadzorom brez napak. Da bi zagotovili varnost, so lahko ti roboti zgolj podpirali tovor, njihovo gibanje pa je bilo lahko posledica operaterjeve sile. Sprva so ta
1.1 Sodelujo£i roboti 3
izum poimenovali programirljiv omejevalni stroj (ang. programable constraint machine), ker so ti prispevali omejevalne povr²ine za ra£unalni²ko vodenje obde- lovancev. ele kasneje, ko je tesno sodelovanje med £lovekom in strojem postalo klju£no za kakovostno delo, so uvedli izraz sodelujo£i roboti. Prvi ameri²ki pa- tent sta izdala leta 1999 z naslovom "Cobots". Opisoval je napravo in metodo za neposredno zi£no interakcijo med osebo in splo²nim manipulatorjem, ki ga nad- zoruje ra£unalnik. Njun sodelujo£i robot oz. kobot (ang. cobot) je bila naprava, ki je lahko ustvarila gladko, mo£no virtualno povr²ino in druge hapti£ne u£inke v skupnem delovnem prostoru. Kinemati£ne lastnosti kobotov so se mo£no razli- kovale od klasi£nih robotov, prav tako so ti imeli zgolj eno mehansko prostostno stopnjo ne glede na dimenzijo delovnega prostora [4].
Slika 1.1: Prvi sodelujo£i robot [5].
Na sliki 1.1 je prikazan prvi izdelan sodelujo£i robot iz leta 1996 z vzdev- kom "Unicycle". Opremljen je bil z enim kolesom, ki je bilo v stiku z ravninsko vrtljivo povr²ino, ter imel dvodimenzionalen kartezi£en delovni prostor. Upo- rabni²ki vmesnik je bil ro£aj name²£en na vrhu senzorja sile, ki je meril silo s katero je operater deloval na robota. e bi bil na kobota pritrjen tovor, bi bil
ta tik pod senzorjem sile, tako da bi se vztrajnostne sile tovora razlikovale od sile operaterja. Kolo tega mehanizma je bilo prosto vrtljivo okoli svoje osi in ni imelo motorja za poganjanje kotaljenja, opremljeno pa je bilo z enkoderjem za merjenje kotalne hitrosti kolesa. V vertikalni smeri je bil pritrjen z osjo, ki je sovpadala s kontaktno to£ko med kolesom in kotalno povr²ino. Kot krmiljenja kolesa je bil merjen z rotacijskim enkoderjem, bil pa je deniran kot kot med smerjo premikanja in osjo x kartezi£nega delovnega prostora. Krmiljenje meha- nizma je bilo izvedeno s konvencionalnim regulatorjem hitrosti, ki je imel kot vhod kotno hitrost. Ker je bil kobot v stiku z ravninsko vrtljivo povr²ino samo v eni to£ki oz. ni imel dodatnega podpornega kolesa, sile na vrhu mehanizma niso povzro£ale navora krmilnega motorja in krmilni motor ni mogel povzro£iti giba- nja v delovnem prostoru. Na zgornji sliki je prikazan tudi sistem vodil, ki je drºal mehanizem pokonci in omejil njegovo gibanje zgolj na 2D kartezi£en prostor. Ta vodila so bila opremljena z linearnimi enkoderji, ki so zaznavali trenutno pozicijo v delovnem prostoru.
Ker je imel prvi kobot zgolj eno mehansko prostostno stopnjo, je imel ope- rater neposreden nadzor zgolj nad hitrostjo gibanja, ra£unalnik pa je opravljal s krmiljenjem. Zgodilo se je, da je ra£unalnik lahko omejil pooblastila opera- terja glede vodenja oz. silo izmerjeno s senzorjem napa£no interpretiral. Ta problem so odstranili tako, da so tem mehanizmom dodali mehanske prostostne stopnje in operaterjem omogo£ili nadzor hitrosti in zavijanja. Naslednji proto- tip, z vzdevkom "Scooter" (slika 1.2), je bil opremljen s tremi majhnimi kolesi s planometri. Mehanizem je bil zasnovan tako, da ni potreboval sistema vodil za navpi£no postavitev. Ugotovili so, da uporaba enkoderjev na posameznem kolesu ni bila dobra re²itev za merjenje, saj so vodniki senzorjev onemogo£ali ve£kratno vrtenje krmilnih koles okoli svoje osi. Uporabni²ki vmesnik s senzorjem sil je bil postavljen v sredino mehanizma. Krmiljenje koles je bilo usklajeno, tako da so se vse tri osi sekale v isti to£ki. Koncept tega prototipa je GM uporabil za izdelavo robotov za montaºo vrat na karoserijo avtomobilov [6].
V svojih raziskavah sta Peshkin in Colgate zasnovala tudi inteligentni dviºni sistem, ki je nadomestil konvencionalne kartezi£ne vodilne sisteme. Njun sistem je uporabljal sistem senzorjev, da je vedel, kam ºeli operater premakniti tovor.
Za dvigovanje tovora so uporabili brezkrta£ni enosmerni motor, ro£aj oz. upo- rabni²ki vmesnik pa je bil opremljen s senzorji sil, da je zaznaval ºeljeno smer
1.1 Sodelujo£i roboti 5
Slika 1.2: Prototip sodelujo£ega robota z vzdevkom "Scooter" [5].
premikanja bremena. Dviºni sistem je bil opremljen z merilniki obremenitve, s
£imer je zaznaval kdaj in v katero smer je operater izvajal silo na tovor. Tako je imel £lovek ob£utek, da breme plav v prostoru. eprav je ta napredek pomagal pri re²evanju ergonomskih teºav, bi tak²na zasnova pustila tveganje za po²kodbe vozil na teko£em traku. V kolikor operater ne bi imel popolnega nadzora nad bremenom, bi lahko to po²kodovalo polizdelke na teko£em traku. Ta problem sta profesorja re²ila z uvedbo virtualnih sten (ang. virtual walls). Te stene niso bilie zasnovane, da bi onemogo£ili gibanje, temve£ da bi lahko gibanje potekalo vzdolº njih.
Z za£etnim uspehom GM-ja, je podjetje sku²alo to tehnologijo predstaviti proizvajalcem po celotnih Zdruºenih drºavah Amerike. Z uporabo donacijskih sredstev za nanciranje svojih akademskih partnerjev je GM univerzam omogo£il lastni²tvo in trºenje intelektualne lastnine. Peshkin in Colgate sta tako ustano- vila podjetje Cobotics Inc. Podjetje je izdelalo ve£ modelov kobotov, ki so jih uporabljali pri kon£ni montaºi avtomobilov. Ford, ki ga je takrat vodil Tom Pe- arson, se je leta 1996 pridruºil, da bi pomagal razvijati tehnologijo, medtem ko so dobavitelji, kot je UPS, nekaj let kasneje raziskovali njeno uporabo. Podjetja, kot sta FANUC Robotics in Gorbel, so prav tako za£ela razvijati lastne tehnologije na tem podro£ju. GM in Ford sta se obrnila tudi na Zdruºenje robotske industrije
(ang. Robotics Industry Association - RIA) in Ameri²ki nacionalni in²titut za standarde (ANSI), da bi napisali varnostne standarde in s tem omogo£ili ²ir²o uporabo te tehnologije. To je privedlo do oblikovanja prvega varnostnega stan- darda za inteligentne pomoºne naprave - varnostne zahteve osebja, T15.1 marca 2002 [4, 7].
Naslednji korak k sodelujo£im robotom, kot jih poznamo danes, so naredili na DLR in²titutu za robotiko in mehatroniko. Njihova ºelja je bilo narediti ma- nipulator z razmerjem mase in nosilnosti 1:1. Namesto, da bi zagotovili potrebno natan£nost za pozicioniranje pri nalogah montaºe in servisiranja z zelo togo in teºko konstrukcijo, so naredili lahkega robota, ki je sposoben zaznavati poloºaj podobno kot £lovek. Pri nalogah vstavljanja obdelovancev v luknjo, je natan£- nost tak²nega robota na milimetrski skali, dokler ne pride do kontakta. Nato je dokon£en poloºaj dolo£en z iskalnim gibom z uporabo integriranih senzorjev.
Prvi lahki robot na in²titutu DLR je bil LWR I (ang. light weight robot), izdelan je bil leta 1995. Tako LWR I kot njegov naslednik LWR II (predstavljen leta 2000) sta bila zgolj raziskovalna sistema in izku²nje teh dveh sistemov so bile upo²tevane pri razvoju tretje generacije robota (predstavljen leta 2003). Leta 2004 je KUKA Roboter GmBh pridobila licenco za DLR LWR III in ta sistem nadgradila z izdajo sodelujo£ega robota KUKA LBR 4 (2008). Z izdelavo tega robota in njegovih naslednikov LBR 4+(2010) in LBR iiwa (2013) se je pokazal velik potencial uporabe tak²nih mehanizmov v industriji in razvoju [8]. Poleg Kuke so z razvojem in izdelavo sodelujo£ih robotov pri£eli tudi Universal Robots (UR), Fanuc in ABB. UR je svoj prvi tak manipulator predstavil leta 2008 z imenom UR5. Kasneje je izdal ²e dva podobna robota z imenom UR10 (2012) in UR3 (2015), kjer ²tevilka v imenu predstavlja nosilnost robota. Fanuc se je trgu sodelujo£ih robotov pridruºil 2015 s svojim CR-35iA, ki je imel veliko nosilnost za tak²ne robote (35 kg). ABB je bil prvi na trgu z dvoro£nim sodelujo£im robotom YuMi, ki je iz²el leta 2015 [9].
1.1.2 Proizvajalci
Zaradi vse ve£jega povpra²evanja po prilagodljivosti v proizvodnjah in proda- jalnah se vse ve£ proizvajalcev odlo£a za uporabo sodelujo£ih robotov, saj ti izpolnjujejo te nove zahteve, medtem ko klasi£ni industrijski roboti ne. Velik po-
1.1 Sodelujo£i roboti 7
rast uporabe je tudi posledica naprednih senzornih sistemov, dobro zasnovanih varnostnih funkcij, preprostosti in intuitivnosti programiranja, kot tudi relativno ugodne cene. Ti roboti so tudi manj²i in laºje prenosljivi ali pa celo ºe opremljeni z mobilno platformo, kar ²e nadaljnje raz²iri njihovo moºnost uporabe. Zaradi vseh teh dobrih lastnostih je v zadnjih letih porastlo ²tevilo proizvajalcev teh robotov [10]. Po podatkih BIS research je svetovni trg sodelujo£ih robotov leta 2020 ocenjen na pribliºno 674,9 milijona ameri²kih dolarjev. Tega leta je obseg prodaje robotov zna²ala okoli 18600 enot [11].
Kuka: Med prve proizvajalce sodelujo£ih robotov, kot jih poznamo danes, spada KUKA. Ta je svoj prvi tovrsten manipulator LBR 3 izdala leta 2004 in ga leta 2008 nadgradila z LBR 4. Njihova linija LBR iiwa (izdelana leta 2014) je elegantna dobro zgrajena in sposobna serija, ki je bila prva masovno proizvedena serija sodelujo£ih robotov na svetu. Kratica LBR pomeni "Leichbauroboter"
(nem²ki izraz za lahkega robota), iiwa pa "intelligent industrial work assistant"
(angle²ki izraz za pametnega industrijskega pomo£nika). Na voljo je v razli£ici z nosilnostjo 7 kg ali 14 kg, njegov doseg pa je bodisi 800 mm, bodisi820 mm. Za- hvaljujo£ sklepnim senzorjem navora lahko LBR iiwa takoj zazna stik in zmanj²a hitrost ali silo. Robot se lahko zaradi svoje ob£utljive tehnologije u£i od svo- jih £love²kih kolegov. e je pa ta povezan ²e z oblakom in tako sprogramiran, lahko celo samostojno dokumentira, preverja ali optimizira rezultate svojega dela [3, 12].
Universal Robots: Podjetje je bilo ustanovljeno leta 2005 na Danskem, prvega robota so predstavili leta 2008. Pomemben poudarek podjetja je bil na poenostavitvi programiranja robotov. Za ta namen so razvili intuitivno krmilno enoto z zaslonom na dotik in gra£nim uporabni²kim vmesnikom. Druga velika skrb je bila varnost. Pri preizku²anju svojega novega robota so za pomo£ zapro- sili Danski tehnolo²ki in²titut (DTI), ki jim je potrdil, da je njihov robot varen za uporabo brez varnostnih pregrad. V tistem £asu je bilo to pomembna pro- dajna lastnost. Od prve prodaje leta 2008 je njihova prodaja vsako leto doºivela rast med 50 % do 80 % [10]. Izdelujejo serijo sodelujo£ih robotov UR3e, UR5e, UR10e in UR16e. Te robote odlikuje ²est prostostnih stopenj, velika prilago- dljivost in enostavna integracija v obstoje£ih proizvodnih okoljih. Nudijo ²irok nabor aplikacij, kot so pobiranje in odlaganje, nadzor kakovosti, pregled brizga- nja, sestavljanje, pakiranje in paletiranje itd. [13]. Serije UR so po vsem svetu
uvedla podjetja, kot sta Nissan in Yokohama, ki njihove produkte uporabljajo za izvajanje ponavljajo£ih se in zamudnih nalog. Tako tem podjetjem preostane ve£
£asa za izobraºevanja svojega kadra. Prav tako tudi samo podjetje UR uporablja svoje produkte za izdelavo novih [3, 14].
ABB: vicarsko podjetje ABB je leta 2015 predstavilo svojega prvega sode- lujo£ega robota, ki so ga sami poimenovali prvi resni£no pravi sodelujo£i robot.
YuMi (ang. you and me) je robot z dvema rokama, ki uporablja najrazli£nej²a orodja (kamere, dvoprsto paralelno prijemalo, in sesalno skodelico) za sestavljanje in odkrivanje napak. Namenjen je predvsem avtomatizaciji nalog, ki so del indu- strije potro²ni²ke elektronike. YuMi ²e vedno uporablja starej²i programski jezik in krmilno enoto proizvajalca ABB, zaradi £esa je neprivla£en za nova podjetja, ki niso seznanjena z uporabo le-teh [10].
Pred kratkim je ABB napovedal sodelovanje s podjetjem IBM, v katerem bo uporabilo IBM-jeve ra£unalni²ke zmogljivosti za izbolj²anje njihovih orodji za kognitivno vizualno pregledovanje. Z uporabo te tehnologije bodo lahko kupci uporabili ABB-jeve robota za naloge pregleda, kot tudi za odkrivanje napak, katere bi £love²ko oko spregledalo ali jih ne bi bilo sposobno zaznati [3, 15].
ABB je svojo druºino sodelujo£ih robotov raz²iril z novim industrijskim sode- lujo£im robotom CRB 1100 SWIFTI, ki zdruºuje izbolj²ane varnostne ukrepe pri sodelovanju in enostavnost uporabe s hitrostjo, robustnostjo in natan£nostjo in- dustrijskega robota. Nov robot temelji na obstoje£em industrijskem robotu IRB 1100, ki ponuja najbolj²o hitrost in natan£nost v svojem razredu. SWIFT ima izredno visoke hitrosti gibanja (do 5 m/s), doseg do 580 mm ter nosilnost 4 kg [16].
Fanuc: Japonsko podjetje je prvega sodelujo£ega robota CR-35iA izdelalo leta 2015. To je 6-osni manipulator namenjen nevarnim ali monotonim nalogam z nosilnostjo 35 kg. Zasnovan je bil posebej za sodelovanje z ljudmi, brez potrebe po kletki ali ograji, saj je njegova zaustavitvena sila nastavljena na 150 N. Kot dodatno plast varnosti je proizvajalec robota prevlekel z zelenim penastim ma- terialom. Poleg CR-35iA podjetje ponuja tudi 4 kg in 7 kg razli£ico robotov za laºje obremenitve in oºje delovne prostore. Vsi ti sodelujo£i roboti so v skladu z novimi varnostnimi standardi in so opremljeni s funkcijo potiska nazaj in drugimi
1.1 Sodelujo£i roboti 9
moºnostmi sledenja gibanja [10].
Robotiq: Je kanadsko podjetje, ki ºe od leta 2008 dobavlja prijemala, kamere, sisteme vida in senzorje za UR sodelujo£e robote in industrijske robote. Ima ²tiri razli£ne izdelke: robotsko prijemalo s tremi prsti, prilagodljiva prijemala z dvema prstoma, senzor z zanavanjem sile dotika, ki daje robotom moºnost zaznavanja dotika, in sistem kamer za prepoznavanje predmetov [15].
Zgoraj na²teti in opisani proizvajalci so trenutno najbolj uspe²ni med proi- zvajalci sodelujo£ih robotov. To seveda ne pomeni, da so edini in je poleg njih
²e ne²teto drugih proizvajalcev, ki prav tako nudijo tak²ne ali podobne manipu- latorje.
1.1.3 Interakcija £loveka in robota
Interakcija med robotom in £lovekom (ang. human-robot interaction ali HRI) je novonastala veda, ki preu£uje stike med robotom in £lovekom. HRI je po naravi multidisciplinarna veda, ki zdruºuje znanstvenike in praktike z razli£nih podro£ji, kot so inºenirji, psihologi, oblikovalci, sociologi in lozo. Ustvarjanje uspe²ne interakcije med £lovekom in robotom zahteva sodelovanje razli£nih podro£ji za razvoj strojne in programske opreme robotia in analizo vedenja ljudi pri interak- ciji z roboti v razli£nih druºbenih kontekstih. Izvor HRI kot diskretni problem je prvi izpostavil pisatelj Issac Asmiov v svojem romanu z naslovom Jaz, Robot [17].
V tem romanu je izpostavil prve tri zakone robotike, ki ponujajo pregled ciljev inºenirjev in raziskovalcev glede varnosti na podro£ju medsebojnih interakcij. Na splo²no pa HRI daje prednost varnosti ljudi, ki sodelujejo s potencialno nevarno opremo. Re²itve tega problema segajo od lozofskega pristopa obravnave robotov kot posameznikov z moralno voljo do prakti£nega pristopa pri ustvarjanju varno- stnih con. Ta varnostna obmo£ja za zaznavanje prisotnosti ljudi ali zi£ne ovire za za²£ito in prepre£evanje stikov, uporabljajo tehnologije kot je lidar. Glavni cilji na tem podro£ju segajo od proizvodnje s pomo£jo sodelujo£e robotike, me- dicinske tehnologije in rehabilitacije, pripomo£kov za nego starej²ih, do zabavne elektronike in izbolj²anja £lovekovega udobja [18]. Interakcija £loveka z robotom lahko sega od skupnega delovnega prostora brez neposrednega stika med strojem in £lovekom do robota, ki v realnem £asu prilagaja svoje gibanje glede na gibanje
posameznega delavca. Trenutno so ²e vedno najpogostej²e aplikacije s skupnim delovnim prostorom, kjer robot in zaposleni delata drug ob drugem in zaporedno opravljata svoje delo. Robot pogosto opravlja naloge, ki so mu£ne ali neergo- nomske (dvigovanje teºkih delov, ponavljajo£e se naloge). HRI lahko v splo²nem razdelimo na ²tiri vrste.
Podporna interakcija: gre za ob£asno zi£no interakcijo, pri katerih robot ni nujno potreben za izvedbo naloge (vodniki v muzeju).
Sodelovalna interakcija: £lovek in robot opravljata isto nalogo in si delita delo glede na njune sposobnosti. Pri tej interakciji lahko prihaja do ve£
zi£nih stikov, ki so bodisi namerni (preprijemanje obdelovanca) ali bodisi nenamerni (trk). Ker lahko prihaja do nenamernih trkov, je pri tem na-
£inu potrebno omejiti silo, hitrost in poti gibanja robota. V ta namen so potrebeni zanesljivi senzorni sistemi, ki zaznajo prisotnost in oddaljenost osebe ali pa dolo£ijo hitrost, s katero se osebe premikajo proti nevarnem obmo£ju. Ta na£in ima veliko prednosti v primerjavi s klasi£nimi indu- strijskimi aplikacijami, kot so zdruºitev dobrih lastnosti obeh agentov, ni potrebe po zi£nih ograjah, pove£ana u£inkovitost delovanja in zmanj²anje
£asa nedelovanja.
Kooperativna interakcija temelji na zi£ni interakciji s £lovekom, ki je lahko posredna ali neposredna. Tukaj operater in robot dokon£ata potrebne faze postopka v istem delovnem prostoru vendar v razli£nih £asovnih obdobjih (nakladanje in razkladanje).
Hapti£na interakcija je zi£na interakcija z dotikom, pri kateri gre za dotik z realnim, virtualnim ali oddaljenim okoljem. To so predvsem aplikacije na- menjena v medicinske namene, kjer je povratna informacija manipulatorja potreben pogoj za ustrezno delovanje.
Pri skupnih aplikacijah se sam delovni prostor razdeli na lo£ena delovna pro- stora robota in £loveka, kjer oba izvajata svoj del nalog, in na skupni delovni prostor (slika 1.3). V skupnem delovnem prostoru gre lahko za eno izmed zgoraj na²tetih interakcij.
Na sliki 1.4 lahko vidimo razli£ne vrste sodelovanja pri industrijskih aplika- cijah. V primeru uporabe pregrad, so te lahko zi£ne ali virtualne. Pri zi£nih
1.1 Sodelujo£i roboti 11
Slika 1.3: Razdelitev delovnega prostora pri skupnih nalogah [19].
pregradah gre za popolnoma lo£ena delovna prostora, kjer operater nima vstopa v nevarno obmo£je. Virtualne pregrade so nekoliko manj stroge, kajti tukaj lahko delavec vseeno vstopi v delovni prostor robota, a se bo ta v tem primeru varno- stno zaustavil. Naslednja stopnja interakcije je soobstoj. Pri tej vrsti ni deljenega delovnega prostora in gre za lo£eno izvajanje nalog. Sinhronizacija predstavlja vmesno to£ko med sodelovanjem in lo£enim robotom. Gre predvsem za uskladi- tev nalog robota in operaterja. Vsak izvaja svoj del naloge za skupen sestav. V tem na£inu imata skupen delovni prostor, vendar pa v tem prostoru lahko nalogo opravlja zgolj eden in ne hkrati kot pri kooperaciji.
Kooperacijo lahko ²e naprej razdelimo na primer, kjer ima robot varnostno nadzorovano ustavitev in primer kjer robotu nadzorujemo hitrost in razdaljo do delavca. V prvem primeru je skupni delovni prostor manj²i in £e operater preseºe neke dolo£ene meje, se bo robot varno zaustavil. Pri omejevanju hitrosti se bo robot ob pribliºevanju operaterja zgolj upo£asnil in ²ele ob prehodu virtualno dolo£enih mej zaustavil. Glede obvladovanja tveganja je primer s spremljanjem razdalje precej bolj zahteven za izvedbo kot sama varnostna zaustavitev. Prav tako kot kooperacijo lahko tudi sodelovanje nadaljnje razdelimo na omejitev mo£i in sile ter na vodenje z roko. Vodenje z roko iz vidika obvladovanja tveganj ne predstavlja velikih teºav, saj je v tem primeru robot zgolj pomoºno orodje za prena²anje teºjih bremen in je njegovo gibanje posledica operaterjevega vodenja.
Najbolj optimalno sodelovanje med robotom in £lovekom predstavlja omejevanje mo£i in sile. Pri tem na£inu sodelovanja je potrebno stalno meriti sile na vrhu robota ali v posameznem sklepu. Ko je nastavljena vrednost prekora£ena se mora robot zaustaviti. V tem primeru morajo biti manipulatorji sposobni nadaljevanja svojega dela po zaustavitvi kot tudi imeti moºnost odmika z roko [20, 21].
Slika 1.4: Stopnje interakcije med robotom in operaterjem [19].
1.2 Robotski standardi
Ob poseganju operaterja v delovni prostor mehanizma, se pojavi problem zago- tavljanja varnosti. V zadnjih letih je nastalo kar nekaj standardov, ki sku²ajo prepre£iti trke s pomo£jo analiz tveganja. e trkov ni moºno prepre£i, ti stan- dardi predpisujejo meje, ki so ²e dopustne, da se ti trki lahko izvajajo. e lahko med izvajanjem naloge prihaja do trkov, je potrebno omejiti bodisi hitrost robota bodisi silo, pri kateri se bo izvedla varnostna zaustavitev. V primeru omejevanja hitrosti se stalno spremlja oddaljenost do ljudi in £e ti pridejo znotraj program- sko dolo£enih mej, se robot ali upo£asni ali ustavi. Pri omejevanju sile pa je potrebno zagotoviti, da se bo robot takoj, ko je preseºena mejna vrednost sile, varno zaustavil in odmaknil od mesta trka. Spremljanje sile je pri tovrstnih robo- tih omogo£eno s pomo£jo merilnikov sile/navorov, ki so name²£eni v posameznem sklepu, na vrhu ali v bazi robota.
1.2 Robotski standardi 13
1.2.1 Kronolo²ki pregled
Trenutno je kar nekaj standardov, ki se ukvarjajo s problematiko zagotavljanja varnosti. Za industrijske robote sta najbolj znana standarda ISO 10218-1 [22] in ISO 10218-2 [23]. Ta standarda sta tipa C (podrobni varnostni napotki za na- pravo ali sistem) kot je to opisano znotraj ISO 12100. Kadar so dolo£be standarda tipa C razli£ne od tistih, ki so navedene v standardih tipa A ali tipa B, imajo dolo£be standarda tipa C prednost pred drugimi standardi za stroje opremljene in izdelane v skladu s tem standardom. Prvi del je bil ustvarjen ob priznavanju posebnih nevarnostih, ki jih predstavljajo industrijski roboti. Nevarnosti pove- zane z roboti so dobro znane, vendar so lahko viri nevarnosti zelo speci£ni za dolo£en robotski sistem. tevilo in tip nevarnosti sta povezana z vrsto avtomati- zacijskega procesa in s kompleksnostjo robotske aplikacije. Tveganja, povezana s temi nevarnostmi, se razlikujejo glede na vrsto uporabljenega robota in njegovim namenom ter na£inom namestitve, programiranja in vzdrºevanja. Vedeti pa je potrebno, da vse nevarnosti, ki jih opredeljuje standard ISO 10218, niso absolu- tne za vsakega robota. Tudi raven tveganja, povezana z dolo£eno situacijo, ne bo enaka. Posledi£no se lahko varnostne zahteve ali za²£itna sredstva razlikujejo od tistega, kar je navedeno znotraj standarda. Izvede se lahko ocena tveganja, da se dolo£ijo ustrezni za²£itni ukrepi. Zaradi spremenljive narave nevarnosti pri razli£nih uporabah industrijskih robotov je ISO 10218 razdeljen na dva dela.
Prvi del dolo£a smernice in zahteve za varno zasnovo, za²£itne ukrepe in informa- cije za uporabo industrijskih robotov. Opisuje tudi osnovne nevarnosti povezane z roboti ter podaja zahteve za odpravo ali ustrezno zmanj²anje tveganj, ki so povezana s temi nevarnostmi. Emisija hrupa se pri tem standardu ne ²teje kot pomembna nevarnost samega robota in je zato iz njega izklju£ena. Ta del tudi ni namenjen za uporabo z neindustrijskimi roboti, £eprav se lahko ta varnostna na£ela uporabljajo tudi za druge tipe robota [22].
Drugi del ISO 10218 ne obravnava samega robota, temve£ dolo£a varnostne zahteve za integracijo industrijskih robotov in industrijskih robotskih sistemov v industrijsko robotsko celico. Standard opisuje postopke za identikacijo nevarnih situacij pri uporabi industrijskih robotskih celic, ter podaja ukrepe, kako tak²ne situacije prepre£iti ali ustrezno zmanj²ati nevarnosti povezane z njimi. Standard tudi podaja zahteve za industrijske robote, ki so del integriranega industrijskega
procesa. Proces integracije industrijske robotske celice vsebuje:
zasnovo, izdelavo, vgradnjo, delovanje, vzdrºevanje in pravilno razgradnjo industrijske robotske celice.
potrebne informacije za zasnovo, izdelavo, vgradnjo, delovanje, vzdrºevanje in razgradnjo celice.
sestavne naprave industrijske robotske celice.
V standardu so podani tudi postopki za identikacijo nevarnih situacij pri uporabi industrijskih robotskih celic ter ukrepi za prepre£evanje oz. ustrezno zmanj²anje teh nevarnih situacij [23].
Na podro£ju sodelujo£ih robotov je trenutno najbolj uporabljena tehni£na specikacija ISO/TS 15066 [24]. V tej specikaciji so opisane varnostne zahteve za sisteme industrijskih sodelujo£ih robotov, ter dopolnjuje zahteve podane v ISO 10218 - 1 in ISO 10218 - 2. Specikacija se uporablja zgolj pri industrij- skih aplikacijah, £eprav so predstavljena varnostna na£ela lahko koristna tudi za druga podro£ja robotike. Operativne zna£ilnosti sodelovalnih aplikacij se mo£no razlikujejo od tradicionalnih robotskih aplikacij. Vse sodelovalne aplikacije potre- bujejo varnostne ukrepe za zagotavljanje varnosti operaterjev med obratovanjem.
Potrebna je ocena tveganj za prepoznavanje in ocenjevanje tveganj, ki so pove- zani s tak²nimi aplikacijami. Klju£nega pomena pri ustvarjanju tak²nih aplikacij je odprava nevarnosti in zmanj²anje tveganj.
ISO/TS 15066 v odstavku 4 podaja smernice za varno zasnovo, prepoznavanje in prepre£evanje nevarnosti povezanih z zasnovo in uporabo sodelovalnih aplikacij.
Naslednji odstavek standarda pa podaja zahteve za sodelujo£e robotske sisteme.
Tukaj se predvsem osredoto£a na inherentno varno zasnovo manipulatorjev. e nekaterih nevarnih situacij ni moºno prepre£iti, je tem potrebno dodati varnostno omejitev. Poleg omejitev, ki se navezujejo na klasi£ne industrijske aplikacije, ta tehni£na specikacija podaja tudi omejitve za najpogostej²e na£ine uporabe.
Pri sodelujo£ih robotih so to varnostno nadzorovana ustavitev, vodenje z roko, nadzor hitrosti in razdalje ter omejevanje mo£i in sile. Pri varnostno nadzorovani zaustavitvi gre za popolno ustavitev gibanja robota pri vstopu operaterja v skupni delovni prostor. Gibanje robota se lahko nadaljuje ²ele, ko vsi operaterji zapustijo
1.2 Robotski standardi 15
skupni delovni prostor. e v skupnem delovnem prostoru ni operaterjev, lahko robot deluje brez kakr²nih koli omejitev. Vodenje z roko se smatra kot na£in uporabe, kjer operater s pomo£jo ro£no upravljane opreme prena²a ukaze za gibanje robotskemu sistemu. Preden lahko izvajalec za£ne izvajati tak²en na£in uporabe je potrebna varnostna zaustavitev manipulatorja. Pri nadzoru hitrosti in razdalje se lahko robotski sistem in operater gibljeta hkrati v skupnem delovnem prostoru. Zmanj²anje tveganj je doseºeno z vzdrºevanjem minimalne za²£itne razdalje med operaterjem in robotom. Ko je njuna razdalja manj²a kot varnostno dolo£ena, se mora robot zaustaviti. Gibanje lahko nadaljuje ²ele, ko se operater zopet oddalji od manipulatorja. Z zmanj²anjem hitrosti gibanja robota se lahko ta varnostna razdalja ustrezno zmanj²a. Omejevanje mo£i in sile pa je na£in delovanja, kjer se lahko zi£en stik zgodi namerno ali nenamerno. Za ta na£in obratovanja je potreben poseben sistem, saj je tukaj zmanj²anje tveganj doseºeno bodisi z inherentno varno zasnovo manipulatorja, bodisi s pomo£jo varnostnega nadzornega sistema. Tak²en sistem mora biti sposoben ohranjati nevarnosti pod mejo dolo£eno med oceno tveganj.
V aneksu A tehni£ne specikacije ISO 15066 so predstavljene tudi meje sile in pritiska za kvazi-stati£ne in prehodne kontakte za celotno £love²ko telo. Podan je model £love²kega telesa, ki vsebuje 29 speci£nih to£k telesa iz 12 podro£ij (slika 1.5). Biomehanske meje so bile ustvarjene tako, da morebitni trki pri iz- vajanju naloge ne bi povzro£ili po²kodb operaterja. V tabeli 1.1 so predstavljene biomehanske omejitve dotikov za vseh 29 to£k na modelu telesa. Ti podatki ne odraºajo uporabe kakr²nekoli osebne za²£ite ali £esar koli drugega kot obi£ajna obla£ila v delovnem okolju. Pri prehodnih kontaktih je v tabeli podan mnoºilnik sile. Ta mnoºilnik je bil izpeljan na podlagi ²tudij, ki so pokazale, da so lahko limite prehodnih pojavov vsaj dvakrat ve£je od kvazi-stati£nih [24]. Vrednosti v tabeli 1.1 so lahko uporabljene za validacijo sodelovalnih robotskih aplikacij pri kvazi-stati£nih in prehodnih kontaktih. Pri merjenju prehodnih kontaktov je potrebno upo²tevati lastnosti dela telesa, s katerim se bo zgodil trk. Standard podaja vrednosti koecientov vzmeti in efektivne mase. Ti podatki so prikazani v tabeli 1.2. Koecienti vzmeti so manj²i pri delih telesa z ve£ mehkega tkiva, ki se pri trku lahko deformirajo in absorbirajo kontaktno silo. Efektivne vredno- sti mas predstavljajo kombinacijo dejanske mase segmenta in vpliva povezanih segmentov.
Tabela 1.1: Mejne vrednosti pritiskov in sile pri trku robota s £lovekom za posamezne dele £love²kega telesa.
Del telesa Speci£en del telesa
Kvazistati£en kontakt
Prehoden kontakt Maks. pritisk
P[N/cm2]
Maks. sila F[N]
Mnoºilnik sile Lobanja
in £elo
1 Sredina £ela 130
130 /
2 Sence 110
Obraz 3 ve£ilne mi²ice 110 65 /
Vrat 4 Vratna mi²ica 140
150 2
5 Sedma vratna
mi²ica 210
Hrbet in ramena
6 Ramenski sklep 160
210 2
7 Peto ledveno
vreteno 210
Prsni ko² 8 Prsnica 120
140 2
9 Prsne mi²ice 170
Trebuh 10 Trebu²na mi²ica 140 110 2
Medenica 11 Medeni£na kost 210 180 2
Zg. del roke in komolec
12 Deltoidna mi²ica 190
150 2
13 Humerus 220
Sp. del roke in zapestje
14 Radialna kost 190
160 2
15 Nadlahet 180
16 ivec v roki 180
Dlan in prsti
17 Kazalec D 300
140 2
18 Kazalec ND 270
19 Sklep kazalca D 280 20 Sklep kazalca ND 220 21 Thenar eminence 200
22 Dlan D 260
23 Dlan ND 260
24 Zd stran dlani D 200 25 Zd stran dlani ND 190 Stegno in
koleno
26 Stegenska mi²ica 250
220 2
27 Poga£ica 220
Spodnji del noge
28 Golenica 220
130 2
29 Me£na mi²ica 210
D dominantna stran telesa, ND nedominantna stran
1.2 Robotski standardi 17
Slika 1.5: Model teles z ozna£enimi to£kami, kjer so dolo£ene biomehanske meje [24].
V pripravi je bil tudi ISO/DIS 21260 [25], ki je podajal omejitve za zi£ne stike, ki so posledica gibanja stroja ali dela le tega (dinami£ni trki). Dokument zajema vse vrste strojev, ki so zasnovani tako, da se lahko £lovek nahaja v nji- hovem delovnem prostoru. Za uporabo tega dokumenta se upo²teva postopek za ocenjevanje in zmanj²anje tveganja predstavljen v ISO 12100. Pri postopku oce- njevanja tveganja je potrebno upo²tevati vse pogoje uporabe kot tudi predvidljive zlorabe. Priporo£eni koraki za analizo kontaktov so slede£i:
identikacija kontaktov med strojem in £lovekom,
kontakte, ki so v obmo£ju50 mmod o£esa je potrebno prepre£iti; za ostale kontakte pa je potrebno dolo£iti klasikacijsko skupino,
dolo£iti je potrebno dovoljene pogoje kontakta,
Tabela 1.2: Efektivne mase in koecienti vzmeti za modeliranje posameznih delov telesa.
Del telesa Efektivni koecient vzmeti [N/mm]
Efektivna masa [kg]
Lobanja in £elo 150 4,4
Obraz 75 4,4
Vrat 50 1,2
Hrbet in ramena 35 40
Prsni ko² 25 40
Trebuh 10 40
Medenica 25 40
Zg. del roke in komolec 30 3
Sp. del roke in zapestje 40 2
Dlan in prsti 75 0,6
Stegno in koleno 50 75
Spodnji del noge 60 75
primerjati je potrebno dejanske in dovoljene pogoje stika; £e dejanski pogoji preseºejo dovoljene, je potrebno spremeniti zasnovo varnostnih ukrepov, dokler niso vrednosti pod dovoljeno mejo,
ponovitev postopka za vsak prepoznan stik.
Kontakte med delom stroja in £lovekom je potrebno prepre£iti v £im ve£ji meri. Premikajo£i se deli strojev, ki niso zmoºni generirati kontaktnih pogojev (so pod limitami tega standarda), se smatrajo kot inherentno varno zasnovani in teh kontaktov ni potrebno prepre£iti. Standard kontakte razdeli v pet skupin, kjer prve tri (G1 G3) obravnavajo in podajajo meje za dinami£ne trke.
Dopustne limite standarda za posamezno kontaktno skupino so predstavljene v tabeli 1.3. Za pravilno dolo£itev teh sil, je potreben poseben merilni sistem, ki je sposoben posnemati dinamiko £love²kega telesa. as trajanja dinami£nih trkov je slede£:
skupina G1 obsega dinami£ne kontakte posameznika, ki se v obdobju osmih ur pojavljajo ve£ kot enkrat na uro,
1.2 Robotski standardi 19
skupina G2 obsega dinami£ne kontakte posameznika, ki se v obdobju osmih ur ponavljajo manj kot enkrat na uro, ampak ve£ kot enkrat na teden,
skupina G3 obsega dinami£ne kontakte posameznika, ki se pojavljajo manj kot enkrat na teden.
Tabela 1.3: Limite za dinami£ne trke.
Pogoj kontakta G1 G2 G3
Najmanj²a povr²ina kontakta [cm2] 0,5 0,5 0,5 Najve£ji prenos energije [J] 1 2 4 Najve£ja dinami£na sila [N] 75 150 400
Skupina G4 opisuje stati£ne ali kvazi-stati£ne kontakte. Obsega vsak kontakt, kjer je prenos energije manj²i od 2 J/s ali pa je sila prisotna za ve£ kot 500 ms, G5 pa obsega vse kontakte, pri katerih prihaja do drsenja na povr²ini koºe. Pri tem mora biti povr²ina robota gladka in ravna ali zaokroºena [25].
1.2.2 ISO/DIS 10218 - 2: 2021
Dokument je osnutek posodobljenega standarda ISO 10218-2, ki je iz²el leta 2011.
Glavne spremembe pri novi izdaji so:
vklju£itev varnostnih zahtev za sodelovalne aplikacije (zahteve podane v ISO/TS 15066),
razjasnitev zahtev za funkcionalno varnost,
parametri in meje za oceno tveganj,
dodane zahteve za kibernetsko varnost v obsegu, v katerem se standard uporablja.
Dokument ostaja usklajen z minimalnimi zahtevami standarda tipa C za robotske sisteme in aplikacije v industrijskem okolju. Potrebno je poudariti, da besedne zveze "sodelujo£i robot" ne uporabljajo v ISO 10218 standardih, saj je lahko zgolj aplikacija denirana kot sodelovalna aplikacija. Dokument specicira zahteve za integracijo industrijskih robotskih sistemov, aplikacij in celic. Naslovljeno je naslednje:
na£rtovanje, integracija, zagon, delovanje, vzdrºevanje in odstranjevanje industrijskega robotskega sistema, aplikacije ali celice,
integracija strojev in komponent,
informacije za uporabo pri na£rtovanju, zagonu, obratovanju, vzdrºevanju in odstranjevanju.
Poglavje 4 standarda zajema analizo tveganj. V tem poglavju standard de- nira karakteristike klasi£nih robotskih celic in poda razlike v primerjavi s so- delovalnimi aplikacijami. Ker je vse ve£ji poudarek na sodelujo£i robotiki, je znotraj standarda posebej razloºen postopek ocene tveganj pri tak²nih name- nih uporabe. Poglavje 5 na podlagi teh izvedenih ocen tveganj podaja ustrezne varnostne ukrepe za zmanj²anje nevarnih situacij. Tukaj so zdruºene metode iz tehni£ne specikacije ISO/TS 15066:2016 ter standardov ISO 10218 - 1:2011 in ISO 10218 - 2:2011.
V aneksu N standarda je prestavljen merilni sistem za merjenje sile in pritiska kontaktov. Tipi£en merilni sistem za merjenje kontaktov, kot je predstavljen v dokumentu, je prikazan na sliki 1.6 in je sestavljen iz naslednjih komponent:
baza (G), ki vsebuje linearne leºaje za prosto gibanje zgornjega dela (E) pri kr£enju vzmeti K2 (F),
du²ilni material K1 (C), ki je pritrjen na zgornji del (E),
merilnik sile (F) in folija za zaznavanje pritiska (B),
poleg teh osnovnih komponent je na zgornjem delu lahko ²e sloj teona (D), ki zmanj²a striºno trenje med zgornjim delom (E) in du²ilnim materialom (C) ali sloj blaga (A) debeline manj kot0,5 mm, ki ltrira kontaktni pritisk zaradi neravnih povr²in.
1.2 Robotski standardi 21
Slika 1.6: Shematski merilnika za merjenje sile in/ali pritiska [26].
V tabeli 1.4 so predstavljene trdote du²ilnega materiala K1, koecienti vzmeti K2 in efektivne mase £love²kega telesa. Pri merjenju stati£nih trkov mora biti me- rilni sistem togo vpet, trk mora biti pravokoten na zgornji del merilnega sistema.
Ti trki morajo biti izvedeni pri najvi²ji hitrosti robotskega sistema, pri £emer so dovoljene varnostne funkcije nadziranja hitrosti. e so tak²ne varnostne funkcije v uporabi, se ta zmanj²ana hitrost smatra kot nova maksimalna hitrost, pri kateri se bodo izvajali trki. Hitrosti manipulatorjev so lahko odvisne tudi od omejitev aplikacij, kar lahko pomeni, da robot ne bo dosegel svoje nastavljene hitrosti. V teh primerih je doseºena hitrost kar hitrost izvajanja trkov. Za merjenje preho- dnih kontaktov metodologija ²e ni znana. Standard samo specicira, da mora biti merilni sistem prosto gibljiv v smeri trka, nanj pa mora biti moºno dodati efektivno maso dela telesa, v katerega se bo zgodil trk.
Tabela 1.4: Specikacije merilnega sistema za razli£na podro£ja telesa.
Del telesa Trdota K1 [Shore A]
Debelina [mm]
Togost K2 [N/mm]
Efektivna masa [kg]
Lobanja in £elo
70 7
150 4,4
Obraz 75 4,4
Dlan in prsti 75 0,6
Vrat 50 1,2
Sp. del roke in zapestje 40 2
Prsni ko² 25 40
Medenica 25 40
Sp. del noge
30 14
60 75
Stegno in koleno 50 75
Hrbet in ramena 35 40
Zg. del roke in komolec 30 3
Trebuh 10 21 10 40
Merilni postopek opisan v dokumentu je slede£:
1. dolo£itev merilnih to£k na podlagi kontaktnih dogodkov pri oceni tveganj (uporaba simulacijskih programov za prepoznavanje visoko tveganih to£k je dovoljena),
2. postavitev in vpetje merilnega sistema,
3. konguracija merilnega sistema za del telesa, s katerim se bo zgodil trk, 4. za vsako meritev se nastavi najslab²i primer trka (hitrost, pot),
5. zabeleºiti je potrebno testne pogoje (temperatura, vlaga, aplikacija, model robota, uporabljeno orodje, uporabljene varnostne funkcije, . . . ),
6. izvajanje meritev,
7. primerjava izmerjenih in dopustnih vrednosti:
£e je bil sistem spremenjen tako, da se zmanj²a pritisk ali sila potem je potrebno merilni postopek ponoviti od to£ke 5 dalje;
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom 23
£e mejne vrednosti sile ali pritiska niso preseºene se lahko postopek merjenja nadaljuje s to£ko 8;
£e izmerjenih vrednosti ni moºno spraviti pod mejo, je potrebna upo- raba varovalne naprave, ki bo ustavila gibanje pred trkom. To napravo je potrebno validirati, vericirati in posodobiti ustrezno dokumentacijo aplikacije.
8. £e je kontakt znotraj predpisanih mej, je potrebno dokumentirati rezultate kontakta (slika ali video kontaktnega dogodka),
9. dokon£ati je potrebno meritev za vse ugotovljene kontaktne dogodke z za-
£etkom pri to£ki 2,
10. po zaklju£enih meritvah je potrebno pripraviti merilno poro£ilo [26].
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom
Trenutni komercialni merilni sistemi so narejeni v skladu z ISO/TS 15066. To pomeni, da so ti togo vpeti na podlago in se pri tem meri zgolj kvazi-stati£ne trke. Razviti so tudi merilni sistemi, ki poleg sile izmerijo tudi pritisk in njegovo porazdeljenost pri trku. Po tem standardu je za sodelovalno aplikacijo potrebna analiza tveganj, ki izpostavi vse morebitne trke. Pri tem je potrebno upo²tevati vse namerne in nenamerne trke pri izvajanju skupne aplikacije, kot tudi predvi- deti morebitne zlorabe pri izvajanju. Analiza tveganj potem poda to£ke znotraj skupnega delovnega prostora, kjer je moºen kontakt med robotom in £lovekom.
Za vsako to£ko je najprej potrebno denirati s katerim delom telesa se lahko zgodi trk. Na podlagi te informacije se potem dolo£ita ustrezna togost in du²enje merilnega sistema.
Vsako potencialno nevarno to£ko je potrebno preveriti z merilnim sistemom.
Ta mora biti postavljen pravokotno na smer trka in vpet na togi podlagi. Na tak na£in zagotovimo karseda to£no izmerjeno silo in pritisk. Te vrednosti je potem potrebno primerjati z biomehanskimi vrednostmi podanimi v standardu in se prepri£ati, da so vsi trki znotraj dopustnih mej. e meritve v kateri to£ki niso znotraj dopustnih mej, lahko to doseºemo bodisi z manj²anjem hitrosti gibanja
bodisi z omejitvijo sile ali mo£i. Zgodi se lahko tudi, da pri kateri to£ki ni moºno priti znotraj dopustnih mej sile ali pritiska. Pri teh to£kah standard predpisuje uvedbo dodatnega varnostnega ukrepa. Ta ukrep je seveda potrebno ustrezno validirati in dokumentirati .
Tak²en postopek merjenja kvazi-stati£nih trkov opisuje tudi delovni osnutek ISO/DIS 10218-2. Za merjenje prehodnih oz. dinami£nih trkov je v standardu zgolj predstavljena ideja o merilnem sistemu, ki je zmoºen posnemati karakteri- stike £love²kega telesa. Tak merilni sistem mora biti sestavljen iz toge vzmeti, gume, uteºi ter mora biti prosto gibljiv v smeri trka. Vzmet pri merilnem sis- temu ponazarja elasti£nost £love²kega telesa, guma pa njegovo du²enje. Razli£ni segmenti telesa imajo razli£ne parametre glede na mesto kontakta £loveka in ro- bota. Vzmet mora biti togo vpeta nad merilno celico, guma pa mora biti na mestu trka. Nad gumo je moºno dodati ²e posebne folije, s katerimi lahko dolo-
£imo pritisk trka. Gibljivost merilnega sistema vzdolº trka simulira odmik prosto gibajo£ega £love²kega segmenta od mesta trka, dodane uteºi pa predstavljajo efektivno maso uda [27].
1.3.1 Komercialni merilni sistemi
Trenutno je na voljo ºe nekaj merilnih sistemov, ki so zasnovani in zagotavljajo skladnost po tehni£ni specikaciji ISO/TS 15066.
PILZ PRMS device: PILZ je nem²ko tehnolo²ko podjetje za avtomatizacijo s sedeºem v Ostldernu v Nem£iji. Ustanovljeno je bilo leta 1948 kot podjetje za izdelavo steklenih izdelkov. Njihovi prvi izdelki so bili stekleni pripomo£ki za medicinsko tehnologijo in ºivosrebrni releji za industrijo. V ²estdesetih letih prej²njega stoletja so za£eli izdelovati elektronsko krmiljene naprave za nadzor in tako na koncu pri²li do izdelave senzorne tehnike [28].
Njihov sistem za merjenje trkov PRMS (ang. PILZ Robot Measurement Sy- stem) vsebuje celoten komplet za merjenje trkov v skladu z ISO/TS 15066. V kompletu je vklju£en sam merilni sistem, ki omogo£a enostavno menjavo vzmeti in gum, nabor gum in vzmeti za merjenje trkov, komplet folij za prikaz pritiska in opti£ni bralnik za digitalizacijo prikaza pritiska trkov. Vse komponente sistema
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom 25
so kalibrirane in s priloºeno ustrezno dokumentacijo. Merilni sistem se preko po- vezave USB poveºe na ra£unalnik in omogo£a merjenje z ustrezno programsko opremo.
Merjenje poteka s pomo£jo priloºene programske opreme PRMS Assistant.
Znotraj programa se lahko ustvari nov projekt s specikacijami sodelujo£e apli- kacije in uporabljenega robota. V projektu je potrebno denirati koliko merilnih to£k ºelimo pomeriti, ter s katerim delom telesa se bodo odvijali trki. Na pod- lagi teh podatkov program poda ustrezne informacije glede uporabe vzmeti in gume. V programu so podane ustrezne mejne vrednosti sile in tlaka, ki se uje- majo s standardom. V zavihku "meritve" (ang. measurements) sta vidna potek in maksimalna vrednost sile pri trku. Po kon£anih meritvah omogo£a programska oprema izvoz poro£ila o skladnosti s standardom [29].
Slika 1.7: PILZ PRMS komplet za merjenje [29].
GTE CoboSafe - CBS: Nem²ko podjetje GTE Industrieelektronik (nem.
Gesellschaft für Technologie und Elektronik) je bilo ustanovljeno leta 1988. Do- bavlja izdelke na podro£ju meritev, krmiljenja in posebne poºarne alarmne sis- teme, njihova glavna podro£ja so varnostna tehnologija in predelava elektri£nih komponent. S pridobitvijo certikata po standardu EN ISO 9001 je sistem ka- kovosti GTE mednarodno sprejet, njegovo u£inkovitost pa dokazujejo neodvisni revizorji [30].
Njihov sistem za merjenje sile in tlaka CoboSafe je enostaven instrument za preverjanje skladnosti z zahtevanimi mejnimi vrednostmi. Za vsako od devetih togosti vzmeti predpisanih v tehni£ni specikaciji ISO/TS 15066 je podjetje pri- pravilo en kalibriran merilni sistem za merjenje brez kakr²nekoli dodatne priprave.
Uporabljena merilna celica je piezo senzor sile z linearno vodenim merilnim me- hanizmom, ki zagotavljajo optimalno natan£nost in ponovljivost pri merjenju.
Merilnik sile je opremljen z integrirano elektroniko za vrednotenje in shranjeva- nje izmerjenih vrednosti. Na enkrat je moºno shraniti do 100 meritev, ki jih lahko preko ºi£ne (USB vmesnik) ali brezºi£ne povezave hitro in enostavno pre- nesemo na osebni ra£unalnik. Poleg prikaza na osebnem ra£unalniku je merilni sistem opremljen tudi z vgrajenim LCD (ang. liquid crystal display) zaslonom, ki omogo£a sproten prikaz prehodnih in kvazi-stati£nih vrednosti sile.
Slika 1.8: GTE CoboSafe merilni sistemi [31].
Za merjenje pritiska je na voljo preprost komplet CoboSafe Scan, ki temelji na folijah za merjenje pritiska, ali zahtevnej²a metoda merjenja CoboSafe Tek, ki temelji na elektronskih senzorjih v obliki folije. Prvi sistem uporablja merilne folije podjetja Fujilm, ki zabeleºijo porazdelitev in maksimalno vrednost pritiska.
Folija se odzove na pritisk pri trku in prikaºe njegovo porazdelitev. Z uporabo op- ti£nega bralnika in kalibracijske folije se slika pritiska uvozi v programsko opremo CoboSafe Vision in samodejno oceni. Uvoºena slika se pretvori v vrednost priti-
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom 27
ska, ki prikazuje njegovo porazdelitev in maksimalno vrednost. Drugi na£in, ki ga ponuja podjetje, pa omogo£a merjenje pritiska in njegove porazdelitve s pomo£jo elektronskih senzorjev [31].
Fraunhofer IFF: Kot tehnolo²ki in raziskovalni partner pomagajo podjetjem, ki ºelijo uresni£iti ºelje po industriji 4.0 in igrati pomembno vlogo pri promociji digitalizacije in avtomatizacije. S svojimi raziskavami prispevajo k trajnostnemu razvoju v smislu ekonomsko uspe²nega, druºbeno pravi£nega in ekolo²ko nedota- knjenega razvoja. Njihove ekipe raziskovalcev se ukvarjajo s problematiko pod- nebnih sprememb, virtualno in raz²irjeno resni£nostjo, varno uporabo robotov, digitalnih dvoj£kov in umetno inteligenco ²e preden so se ti trendi za£eli globalno razvijati [32].
In²titut Fraunhofer IFF je razvil testno postavitev z nihalom, ki jo je odobrila eti£na komisija. Metoda omogo£a preizkus trka s £lovekom, da se dolo£i najve£ja obremenitev. V tesnem sodelovanju z zdravniki iz Univerzitetne bolni²nice Otto von Guericke so izbrana podro£ja ljudi sistemati£no udarjali z razli£no energijo.
Masa nihala, hitrost trka in geometrija udarca se je med preizkusi na £loveku spreminjala. Vsak test pa je bil zaklju£en, ko se je pojavil trk, ki je bil uvr²£en v hudo ali zmerno hudo kategorijo bole£ine. Najve£je obremenitve, kot so sila, tlak ali energija udarca, so se lahko naknadno uporabili za dolo£itev preverjenih mejnih vrednosti podanih v standardih. Ugotovitve so vklju£ene v mednarodno pomembne standarde in opredelijo najve£jo obremenite pri izvajanju sodelujo£ih aplikacij.
Njihova oprema in objekti omogo£ajo in²titutu merjenje vseh pomembnih zi- kalnih parametrov (krivulje £asa/sile, porazdelitev pritiska, moment in stiskanje pri trku robota in £loveka). Prilagodljivi mobilni merilni sistemi jim omogo-
£ajo meritve neposredno na robotskih celicah ali mobilnih robotskih aplikacijah v prostorih uporabnikov. Celoten scenarij interakcije med robotom in £lovekom je lahko tako podvrºen prilagojenemu preskusu v skladu s predpisanimi stan- dardi. Za izvajanje meritev uporabljajo merilne sisteme, ki vklju£ujejo sistem za merjenje pritiska Tekscan z visoko lo£ljivostjo, kalibracijski sistem za umerjanje kateregakoli merilnega sistema in merilni sistem IFA KOLROBOT za merjenje sile trka in vkle²£enja [33].
Slika 1.9: Merilni sistem za izvajanje storitev merjenja trkov in²tituta Fraunhofer IFF [33].
1.3.2 Inercijski parametri
Kvantitativne biomehanske analize £love²kega gibanja obi£ajno zahtevajo oceno vztrajnostnih parametrov telesnega segmenta (masa, poloºaj sredi²£a mase in vztrajnostni moment). Leta 1996 je iz²la tehni£na dokumentacija, ki je popravila do tedaj uporabljene inercijske parametre segmentov [34]. V ve£ini ²tudij pred izdajo tega dokumenta so za ocenjevanje teh parametrov uporabili kar povpre£ne vrednosti pridobljenih z merjenjem trupel starej²ih mo²kih. Zaradi pomanjkanja drugih virov so te vrednosti uporabljali tudi za dolo£anje inercijskih parametrov ºenskega telesa. Zatsiorsky je leta 1990 dolo£il parametre telesnih segmentov.
Parametre je dolo£il za 100 mo²kih in 15 ºenskih subjektov s povpre£no starostjo 24 oz. 19 let. Ve£ina subjektov je bila z univerze za ²portno vzgojo. Njegovi parametri so bili kljub bolj ob²irni analizi ²e vedno spregledani in neuporabljeni.
Glavni razlog je bil najverjetneje v tem, da je njegova skupina uporabila okostje za dolo£itev sredi²£a mas in dolºine segmentov. Nekatera dolo£ena sredi²£a so bila preve£ oddaljena od sredi²£ sosednjih sklepov, kar je pri pokr£enju sklepa povzro£ilo premik dejanskega sredi²£a mase od dolo£enega.
Pri dolo£anju mase segmenta roke za ²tudijo izvedljivosti smo uporabili po- pravljene inercijske parametre, ki so prikazani v tabeli 1.5. Parametri dolºine so podani za ºenski spol z maso61,9 kgin vi²ino173,5 cmin mo²ki spol z maso73 kg
1.3 Merjenje trkov med robotom in £lovekom 29
Tabela 1.5: Posodobljeni inercijski parametri za ºenski in mo²ki spol.
Segmenti
Dolºina segmentov
[mm] Masa [%] Vzdolºna pozicija sredi²£a mas [%]
enski spol
Mo²ki spol
enski spol
Mo²ki spol
enski spol
Mo²ki spol
Glava 200,2 203,3 6,68 4,94 58,94 59,76
Trup 529,3 531,9 42,57 43,46 41,51 44,86 Zg. del
trupa 142,5 170,7 15,45 15,96 20,77 29,99 Sredinski
del trupa 205,3 215,5 14,65 16,33 45,12 45,02 Sp. del
trupa 181,5 145,7 12,47 11,17 49,20 61,15 Nadlaket 275,1 281,7 2,55 2,71 57,54 57,72 Podlaket 264,3 268,9 1,38 1,62 45,59 45,74
Dlan 78,0 86,2 0,56 0,61 74,74 79,00
Stegno 368,5 422,2 14,78 14,16 36,12 40,95 Goleno 432,3 434,0 4,81 4,33 44,16 44,59 Stopalo 228,3 251,1 1,29 1,37 40,14 44,15
in vi²ino 174,1 cm. Mase segmentov so dolo£ene kot procent celotne mase telesa, sredi²£a segmentov pa so predstavljena kot procent celotne dolºine pripadajo£ega segmenta.
Za izra£un mas pri ²tudiji izvedljivosti smo privzeli mo²ki subjekt z vi²ino 180 cm in maso80 kg.
Glede na podatke iz zgornje tabele predstavlja:
dlan 0,61 % celotne mase, kar zna²a 0,48 kg,
podlaket 1,62 % celotne mase, kar zna²a 1,29 kg,
nadlaket 2,71 % celotne mase, kar zna²a 2,16 kg.
Skupna masa spodnjega dela roke je torej vsota mase dlani in podlakti, kar je v na²em primeru1,78 kg, celotna masa roke pa zna²a3,95 kg. e primerjamo te iz-
ra£unane vrednosti z vrednostmi podanimi v ISO/DIS 10218-2:2021 (tabela 1.4), opazimo, da so izra£unane vrednosti nekoliko manj²e. Razlog tega je predvsem, da standard podaja efektivne mase segmentov. To pomeni, da pri teh masah upo²tevajo tudi medsebojni vpliv sosednjih sklepov in segmentov [34].
1.4 Cilji naloge
Glavni cilji naloge so bili:
razviti merilni sistem za merjenje dinami£nih trkov med robotom in £love- kom,
avtomatizirati postopek merjenja trkov v izbranih smereh in to£kah,
analizirati dobljene rezultate in narediti primerjavo med smermi, hitrostmi in to£kami pri razli£nih masah merilnega sistema,
opredeliti varnost izmerjenih kontaktov glede na meje podane v standardu ISO/DIS 10218-2:2021.
