Entwicklung eines Kraft-Druck-Messgerätes zur Messung und Bewertung von Mensch-Roboter-Kollisionen

Status:

abgeschlossen 01/2014

Zielsetzung:

Für Labor- und Betriebsmessungen wird ein Kraft-Druck-Messgerät benötigt, mit dem die Grenzwerte der BG/BGIA-Empfehlungen "Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern" überprüft werden können. Es war ein Komplettmessgerät zu entwickeln, das auf der Basis herkömmlicher Schließkraftmessprinzipien aufbaut und zusätzlich eine Messung der durch den Kraftstoß erzeugten Druckverteilung erlaubt. Das Messgerät muss die biofidelen (= mechanisch menschenähnlichen) Eigenschaften der Einzelkörperbereiche nach den BG/BGIA-Empfehlungen abbilden können. Als biofidele Eigenschaften sollte hier im Wesentlichen das Verformungsverhalten des durchschnittlichen menschlichen Körpers simuliert werden. Neben der lokalen Kompressionseigenschaft des körperlichen Belastungspunktes muss die Verformbarkeit der dahinterliegenden Körperstruktur mit berücksichtigt werden. Mit einer entsprechend zu gestaltenden Messdatenerfassung und -auswertung sollte direkt nach einer Messung die Bewertung nach den Grenzwerten vorgenommen werden. Hierfür war eine Software zu entwickeln, mit der Messungen, alle erforderlichen Berechnungen und Bewertungen nach den vorgesehenen Kriterien vorgenommen werden können. Alle Versuchsbedingungen, die Messsignale, weitere Auswertungen sowie die Bewertungen sollten in einem Versuchsprotokoll dokumentiert werden.

Aktivitäten/Methoden:

Das Grundkonzept des Kraft-Druck-Messgerätes wurde wie bei üblichen Schließkraftmessungen als einaxiale Messung der Gesamtkraft zur Erfassung von Klemmkräften oder schnellen Stoßimpulsen gestaltet. Zusätzlich wurde eine Messung der Druckverteilung während des Kollisionsimpulses auf der Kontaktfläche realisiert. Die Kontaktfläche des Messgerätes wurde unterschiedlich ausgeführt und erlaubt Druckmessungen bis zu einer Flächengröße von 300 x 300 mm. Auf dieser steifen Kontaktfläche wurden Kunststoffplatten adaptiert, mit denen die lokale Verformbarkeit der lokalen Einzelkörperbereiche simuliert wurde. Die Steifigkeit des aussen liegenden Kunststoffkörpers wurde je nach Körperregion mit einer innen liegenden linearen Feder kombiniert, sodass damit die Gesamtsteifigkeit des Körperbereiches nachgebildet werden konnte. Die Messung der Druckverteilung erfolgt mit Druckmessfolien, die auf der Außenfläche des jeweiligen Kunststoffblockes aufliegen. In das Messgerät wurden zwei Folienmesssysteme integriert. Bei FUJI-Druckmessfolien bildet sich der Kollisionsdruck als Rotverteilung in der Folie aus. Diese Rotdichte wird mit einem Scanner digitalisiert und in eine Druckverteilung umgerechnet. Als zweites Druckmesssystem wurden Tekscan-Druckmessfolien integriert. Damit werden Druckverteilungen zeitdiskret mit Abtastungen bis zu 700 Hz und mit geometrischen Auflösungen bis unter 1 mm² erfasst. Aus der ausgewerteten Druckverteilung und der gemessenen Stoß-/Klemmkraft konnten die Parameter zur Bewertung nach BG/BGIA-Empfehlungen entnommen werden.

Ergebnisse:

Mit dem IFA-Kraft-Druck-Messgerät KDMG-KOLROBOT konnte ein biofideles Messgerät entwickelt werden, das im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern zur Validierung von kollaborierenden Arbeitstätigkeiten eingesetzt werden kann. Mit dem Messgerät können kritische Kollisionsvorgänge simuliert und die Beanspruchungskriterien "Maximale Gesamtkraft" und "Maximaldruck in der Kollisionsfläche" gemessen und nach den BG/BGIA-Empfehlungen zur Gestaltung von Arbeitsplätzen mit kollaborierenden Robotern bewertet werden. Mit der Hard- und Software werden umfangreiche Mess- und Analysemöglichkeiten für die Gefährdungsbeurteilung zur Verfügung gestellt. Mit dem Messgerät kann die Biofidelität der individuellen Körpereinzelbereiche des zu Grunde liegenden Körpermodells praxisgerecht simuliert werden. Alle Randbedingungen und Ergebnisse von Kollisionsmessungen werden in einem umfangreichen Prüfprotokoll dokumentiert und als PDF-Dokument abgespeichert. Das Gerät stellt durch sein technisches Design nach den durch die Empfehlungen gegebenen Vorgaben eine gute Grundlage für ein normgerechtes und reproduzierbares Standardmessverfahren von Kollisionsvorgängen dar. Die relevanten Eigenschaften des Messgerätes werden in die Normungsarbeit eingebracht. Das Messgerät kann damit für die Prüfung der von der Normensetzung her erforderlichen sicherheitstechnischen Anforderungen auf dem aktuellen technischen Stand eingesetzt werden. Der bisherige Einsatz in laufenden Prüfungen und Zertifizierungen von Arbeitsplatzapplikationen mit kollaborierenden Robotern bestätigte dies. Aufgrund des modularen Aufbaus ist das Messgerät entwicklungsoffen. Es können weitere Messgerätetypen integriert werden. Dies gilt auch für die messtechnischen Eigenschaften und Komponenten. Das Designprinzip gestattet zukünftig die Einbeziehung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse zu Grenzwerten oder erweiterten biofidelen Eigenschaften des menschlichen Körpers. Durch den Einsatz des Messgerätes kann bei entsprechenden konstruktiven Gestaltungsmaßnahmen des Arbeitsplatzes oder Parametrisierungen des Robotersystems die Körperbelastung bei Kollisionsprozessen unter die angegebenen Grenzbelastungen der Empfehlungen reduziert werden.

Stand: