Optimized Safety Layouts for Fenceless Robots

Hornig, Dion

doi:10.24355/dbbs.084-202205181129-0

Published

Optimized Safety Layouts for Fenceless Robots

English
German

Industrial robots revolutionized the car body manufacturing in the automotive industry by reducing heavy manual labor and increasing the quality of car bodies. These improvements are based on precise movement and high payload capabilities of robots, which are much higher than any human can lift and handle properly. In the past decades, the field of robotics expanded towards human-robot collaboration with the idea to combine the strengths of both. Solutions have been developed that are either based on limiting the power and force of the robot to safe amounts around humans or detecting approaching humans early enough to trigger a robot stop such that the robot stands still when a human collides with it.

As the first mentioned solution is generally achieved using robots with small payloads, the second one is of interest for big industrial robots.

This work focuses on the early human detection solution, which can be applied to robots of all sizes. Many new approaches in research try to improve the safety sensor systems for human robot collaboration of high-payload robots. Unfortunately, the described systems can typically not be applied to real-world applications directly. A major problem is that many improvements are achieved using newly developed safety sensor systems, which need to be certified to be below a given failure rate.

The certification process is a major hindrance in developing industrial solutions, especially for research solutions that incorporate new safety sensor technologies. The reason is that the certification requirements of failure safe applications reaches deep into the architecture of sensor data processing, which complicates industrialization of solutions that have not been developed with the functional safety requirements (described in ISO standards) in mind.

This work aims to improve human-robot applications by solely relying on existing safety features available in robots and safety sensors today.

It therefore has a high applicability in contrast to most solutions that are developed ignoring the state of industrial safety features or relying on the development of new ones. The results show that the introduced methods can improve the layout significantly compared to conventional planning approaches. This is achieved by computing optimized safety layouts, which are utilizing existing safety features in a more sophisticated way than typical planners would use them with their limited work time.

This work discusses the whole workflow for computing optimized safety layouts with fenceless robots using a distance monitoring method to ensure safety. It starts with fundamental calculations for generating spaces to limit robot movements and the corresponding spaces for safeguarding using safety sensors. Based on this and considerations regarding the available safety features of robots and sensors today, a general safety layout design is proposed, which can be adapted to multiple use cases.

Since it needs to be adapted to bring up its full potential, an optimization problem is formulated, firstly introduced in this work, and ways to solve the problem using population based algorithms. This work concludes with an analysis of the optimization method, determining the effectiveness of the proposed problem representations, and a practical application, which shows how this work can improve the planning process of fenceless industrial robot cells today. Beyond the boundaries of this work, it can be integrated into other problems in the context of automated planning, like Line Balancing Problems or Facility Layout Problems. The improved representation of human-robot related tasks in these problems can yield to a better integration of human-robot applications in factories.

Industrieroboter haben die Fertigung von Karosserien im Automobilbau revolutioniert, indem Fertigungsprozesse automatisiert und mit besserer Qualität realisiert werden konnten. Diese Verbesserungen beruhen auf den wiederholgenauen Bewegungen und der großer Belastbarkeit von Robotern, welche denen der Arbeiter deutlich überlegen sind. In den vorherigen Jahrzehnten hat sich der Bereich der Robotik um das Themenfeld der Mensch-Roboter-Kollaboration erweitert, mit der Absicht die Stärken beider zu kombinieren. Bisherige Lösungen setzen entweder auf die Begrenzung der Kraft und Leistung von Robotern, oder auf dessen frühzeitige Abschaltung durch eine berührungslos wirkende Schutzeinrichtung, wenn ein Mensch in den Arbeitsbereich des Roboters eindringt.

Die erstgenannte Lösung wird in der Regel nur mit Leichtbaurobotern, die eine geringe Traglast haben, erreicht. Die zweite wird auch bei Industrierobotern, welche eine große Traglast haben, genutzt.

Diese Arbeit stützt sich auf den Einsatz berührungslos wirkender Schutzeinrichtungen. Viele Ansätze in der Forschung versuchen die Sicherheits-Sensorik für Mensch-Roboter-Kollaboration von Industrierobotern zu verbessern. Jedoch können diese meist nicht direkt in die Fertigung integriert werden. Das Hauptproblem ist, dass viele der Verbesserungen über neu entwickelte Sicherheitstechnik erreicht werden.

Diese müssen zertifiziert werden und dürfen eine dem Anwendungsfall entsprechend gesetzte Fehlerrate nicht übersteigen. Die Architektur der sicherheitstechnischen Lösung hat einen ausschlaggebenden Faktor bei der Bestimmung der Fehlerrate (nach den ISO Standards). Dies ist besonders schwierig für Forschungslösungen zu realisieren, die der sicherheitstechnischen Bewertung bei der Entwicklung oft noch keine besondere Beachtung schenken.

Diese Arbeit hingegen stützt sich lediglich auf bereits verfügbare Sicherheitstechnik in Robotern und Sensoren. Deshalb besteht eine direkte Anwendbarkeit im Gegensatz zu den Lösungen, die entweder den Stand der Sicherheitstechnik ignorieren oder auf die Neuentwicklung dieser setzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellten Methoden signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Planungsansätzen haben.

Erreicht wird dies durch das automatisierte Optimieren von Sicherheitslayouts, welche im Vergleich zur händischen Optimierung durch Planer die Fähigkeiten der bestehenden Sicherheitstechnik zeitsparend ausnutzen können.

Diese Arbeit behandelt alle Bestandteile, die für die Berechnung optimierter Sicherheitslayouts für schutzzaunlose Roboterzellen, auf Basis einer berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung, notwendig sind.

Es beginnt bei der grundlegenden Berechnung von Räumen zur Einschränkung von Roboterbewegungen und den zugehörigen geschützten Bereichen, die vor dem Zutritt von Menschen abgesichert werden müssen. Darauf aufbauend wird ein generisches Design von Sicherheitslayouts vorgestellt, welches die heute verfügbare Sicherheitstechnik in Robotern und Sicherheitssensoren berücksichtigt und auf die unterschiedlichen Gegebenheiten der Roboterzellen angepasst werden kann. Um diese notwendigen Anpassungen automatisiert vorzunehmen, wurde erstmalig ein entsprechendes Optimierungsproblem formuliert und durch den Einsatz populationsbasierter Optimierungsmethoden gelöst. Die Arbeit schließt mit einer Analyse zu den vorgestellten Optimierungsmethoden ab, welche die Effektivität des Ansatzes testet. Zusätzlich zeigt eine praktische Implementierung, welche Vorteile die vorgestellte Lösung für den Planungsprozess von schutzzaunlosen Anlagen, mit berührungslos wirkender Schutzeinrichtung, haben kann. Darüber hinaus können die in dieser Arbeit entwickelten Methoden für die Lösung anderer, naheliegender Planungsprobleme, wie zum Beispiel dem Line Balancing Problem oder dem Facility Layout Problem, eingesetzt werden. Eine verbesserte Darstellung von Eigenschaften schutzzaunloser Roboterzellen kann zu einer besseren Integration entsprechender Anwendungen in den Fertigungen führen.