Herkömmliche Industrieroboter haben ein großes Volumen und einen geringen Sicherheitsfaktor, da sich keine Personen im Aktionsradius aufhalten dürfen. Mit der steigenden Nachfrage nach dynamischer, unstrukturierter Produktion wie Präzisionsfertigung und flexibler Fertigung hat die Koexistenz von Robotern mit Menschen und Robotern mit der Umwelt höhere Anforderungen an das Roboterdesign gestellt. Roboter mit dieser Fähigkeit werden kollaborative Roboter genannt.
Kollaborative Roboterhaben viele Vorteile, darunter geringes Gewicht, Umweltfreundlichkeit, intelligente Wahrnehmung, Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine und einfache Programmierung. Hinter diesen Vorteilen verbirgt sich eine sehr wichtige Funktion, nämlich die Kollisionserkennung. Die Hauptfunktion besteht darin, die Auswirkungen der Kollisionskraft auf den Roboterkörper zu reduzieren, Schäden am Roboterkörper oder an Peripheriegeräten zu vermeiden und, was noch wichtiger ist, zu verhindern, dass der Roboter beschädigt wird Menschen Schaden zufügen.
Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie gibt es viele Möglichkeiten, eine Kollisionserkennung für kollaborative Roboter zu erreichen, einschließlich Kinematik, Mechanik, Optik usw. Der Kern dieser Implementierungsmethoden sind natürlich Komponenten mit verschiedenen Erkennungsfunktionen.
Kollisionserkennung kollaborativer Roboter
Das Aufkommen von Robotern soll den Menschen nicht vollständig ersetzen. Viele Aufgaben erfordern die Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern, was den Hintergrund für die Geburt kollaborativer Roboter darstellt. Die ursprüngliche Absicht bei der Entwicklung kollaborativer Roboter besteht darin, mit Menschen bei der Arbeit zu interagieren und zusammenzuarbeiten, um die Arbeitseffizienz und -sicherheit zu verbessern.
In einem Arbeitsszenariokollaborative Roboterarbeiten direkt mit Menschen zusammen, daher können Sicherheitsaspekte nicht genug betont werden. Um die Sicherheit der Mensch-Maschine-Kooperation zu gewährleisten, hat die Industrie zahlreiche relevante Vorschriften und Normen formuliert, mit dem Ziel, die Sicherheitsaspekte der Mensch-Maschine-Kooperation bereits bei der Konstruktion kollaborativer Roboter zu berücksichtigen.
Mittlerweile müssen auch kollaborative Roboter selbst für Sicherheit und Zuverlässigkeit sorgen. Aufgrund der hohen räumlichen Freiheit kollaborativer Roboter, die vor allem menschliche Arbeit in komplexen und gefährlichen Umgebungen ersetzen, ist es auch bei Schleif-, Montage-, Bohr-, Handhabungs- und anderen Arbeiten erforderlich, potenzielle Kollisionen schnell und zuverlässig zu erkennen.
Um Kollisionen zwischen kollaborativen Robotern und Menschen sowie der Umwelt zu verhindern, unterteilen Designer die Kollisionserkennung grob in vier Stufen:
01 Vorkollisionserkennung
Beim Einsatz kollaborativer Roboter in einer Arbeitsumgebung hoffen die Designer, dass diese Roboter sich wie Menschen mit der Umgebung vertraut machen und ihre eigenen Bewegungspfade planen können. Um dies zu erreichen, installieren Designer Prozessoren und Erkennungsalgorithmen mit einer bestimmten Rechenleistung auf kollaborativen Robotern und bauen eine oder mehrere Kameras, Sensoren und Radare als Erkennungsmethoden ein. Wie oben erwähnt, gibt es Industriestandards, die für die Erkennung vor Kollisionen befolgt werden können, wie zum Beispiel die Norm ISO/TS15066 für die Konstruktion kollaborativer Roboter, die verlangt, dass kollaborative Roboter den Lauf stoppen, wenn sich Menschen nähern, und sich sofort erholen, wenn Menschen weggehen.
02 Kollisionserkennung
Dies ist entweder ein Ja- oder Nein-Formular, das angibt, ob der kollaborative Roboter kollidiert ist. Um das Auslösen von Fehlern zu vermeiden, werden Designer einen Schwellenwert für kollaborative Roboter festlegen. Die Einstellung dieses Schwellenwerts ist sehr sorgfältig, um sicherzustellen, dass er nicht häufig ausgelöst wird, und ist gleichzeitig äußerst empfindlich, um Kollisionen zu vermeiden. Da die Steuerung von Robotern hauptsächlich auf Motoren beruht, kombinieren Entwickler diesen Schwellenwert mit motoradaptiven Algorithmen, um einen Kollisionsstopp zu erreichen.
03 Kollisionsisolierung
Nachdem das System bestätigt hat, dass eine Kollision stattgefunden hat, muss der spezifische Kollisionspunkt oder die Kollisionsverbindung bestätigt werden. Der Zweck der Isolierung zu diesem Zeitpunkt besteht darin, die Kollisionsstelle zu stoppen. Die Kollisionsisolation vontraditionelle Roboterwird durch externe Leitplanken erreicht, während kollaborative Roboter aufgrund ihres offenen Raums durch Algorithmen und Rückwärtsbeschleunigung implementiert werden müssen.
04 Kollisionserkennung
Zu diesem Zeitpunkt hat der kollaborative Roboter bestätigt, dass eine Kollision stattgefunden hat und die relevanten Variablen den Schwellenwert überschritten haben. An diesem Punkt muss der Prozessor des Roboters anhand von Sensorinformationen feststellen, ob es sich bei der Kollision um eine versehentliche Kollision handelt. Wenn das Beurteilungsergebnis „Ja“ lautet, muss sich der kollaborative Roboter selbst korrigieren; Wenn festgestellt wird, dass es sich um eine nicht zufällige Kollision handelt, stoppt der kollaborative Roboter und wartet auf die Verarbeitung durch den Menschen.
Man kann sagen, dass die Kollisionserkennung ein sehr wichtiger Vorschlag für kollaborative Roboter ist, um Selbstbewusstsein zu erlangen, was die Möglichkeit für die groß angelegte Anwendung kollaborativer Roboter und den Eintritt in ein breiteres Spektrum von Szenarien bietet. In verschiedenen Kollisionsstadien stellen kollaborative Roboter unterschiedliche Anforderungen an Sensoren. In der Phase der Vorkollisionserkennung beispielsweise besteht der Hauptzweck des Systems darin, Kollisionen zu verhindern. Die Aufgabe des Sensors besteht also darin, die Umgebung wahrzunehmen. Es gibt viele Implementierungswege, z. B. eine visionsbasierte Umgebungswahrnehmung, eine auf Millimeterwellenradar basierende Umgebungswahrnehmung und eine Lidar-basierte Umgebungswahrnehmung. Daher müssen entsprechende Sensoren und Algorithmen koordiniert werden.
Nach einer Kollision ist es für kollaborative Roboter wichtig, den Kollisionspunkt und -grad so schnell wie möglich zu kennen, um weitere Maßnahmen ergreifen zu können, um eine weitere Verschlechterung der Situation zu verhindern. Zu diesem Zeitpunkt spielt der Kollisionserkennungssensor eine Rolle. Zu den gängigen Kollisionssensoren gehören mechanische Kollisionssensoren, magnetische Kollisionssensoren, piezoelektrische Kollisionssensoren, Kollisionssensoren vom Dehnungstyp, piezoresistive Plattenkollisionssensoren und Kollisionssensoren vom Quecksilberschaltertyp.
Wir alle wissen, dass der Roboterarm beim Betrieb kollaborativer Roboter einem Drehmoment aus vielen Richtungen ausgesetzt ist, damit er sich bewegt und arbeitet. Wie in der Abbildung unten dargestellt, übt das mit Kollisionssensoren ausgestattete Schutzsystem bei Erkennung einer Kollision ein kombiniertes Drehmoment aus Drehmoment und axialer Last aus und der kollaborative Roboter stoppt sofort seine Arbeit.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. Dezember 2023
