Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Safety system design in human-robot collaboration: Implementation for a demonstrator case in compliance with ISO/TS 15066
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

A close collaboration between humans and robots is one approach to achieve flexible production flows and a high degree of automation at the same time. In human-robot collaboration, both entities work alongside each other in a fenceless, shared environment. These workstations combine human flexibility, tactile sense and intelligence with robotic speed, endurance, and accuracy. This leads to improved ergonomic working conditions for the operator, better quality and higher efficiency. However, the widespread adoption of human-robot collaboration is limited by the current safety legislation. Robots are powerful machines and without spatial separation to the operator the risks drastically increase. The technical specification ISO/TS 15066 serves as a guideline for collaborative operations and supplements the international standard ISO 10218 for industrial robots. Because ISO/TS 15066 represents the first draft for a coming standard, companies have to gain knowledge in applying ISO/TS 15066. Currently, the guideline prohibits a collision with the head in transient contact. In this thesis work, a safety system is designed which is in compliance with ISO/TS 15066 and where certified safety technologies are used. Four theoretical safety system designs with a laser scanner as a presence sensing device and a collaborative robot, the KUKA lbr iiwa, are proposed. The system either stops the robot motion, reduces the robot’s speed and then triggers a stop or only activates a stop after a collision between the robot and the human occurred. In system 3 the size of the stop zone is decreased by combining the speed and separation monitoring principle with the power- and force-limiting safeguarding mode. The safety zones are static and are calculated according to the protective separation distance in ISO/TS 15066. A risk assessment is performed to reduce all risks to an acceptable level and lead to the final safety system design after three iterations. As a proof of concept the final safety system design is implemented for a demonstrator in a laboratory environment at Scania. With a feasibility study, the implementation differences between theory and praxis for the four proposed designs are identified and a feasible safety system behavior is developed. The robot reaction is realized through the safety configuration of the robot. There three ESM states are defined to use the internal safety functions of the robot and to integrate the laser scanner signal. The laser scanner is connected as a digital input to the discrete safety interface of the robot controller. To sum up, this thesis work describes the safety system design with all implementation details.

Abstract [sv]

Ett nära samarbete mellan människor och robotar är ett sätt att uppnå flexibla produktionsflöden och en hög grad av automatisering samtidigt. I människa-robotsamarbeten arbetar båda enheterna tillsammans med varandra i en gemensam miljö utan skyddsstaket. Dessa arbetsstationer kombinerar mänsklig flexibilitet, taktil känsla och intelligens med robothastighet, uthållighet och noggrannhet. Detta leder till förbättrade ergonomiska arbetsförhållanden för operatören, bättre kvalitet och högre effektivitet. Det breda antagandet av människarobotsamarbeten är emellertid begränsat av den nuvarande säkerhetslagstiftningen. Robotar är kraftfulla maskiner och utan rymdseparation till operatören riskerna drastiskt ökar. Den tekniska specifikationen ISO / TS 15066 fungerar som riktlinje för samverkan och kompletterar den internationella standarden ISO 10218 för industrirobotar. Eftersom ISO / TS 15066 representerar det första utkastet för en kommande standard, måste företagen få kunskap om att tillämpa ISO / TS 15066. För närvarande förbjuder riktlinjen en kollision med huvudet i övergående kontakt. I detta avhandlingar är ett säkerhetssystem utformat som överensstämmer med ISO / TS 15066 och där certifierad säkerhetsteknik används. Fyra teoretiska säkerhetssystemdesigner med en laserskanner som närvarosensor och en samarbetsrobot, KUKA lbr iiwa, föreslås. Systemet stoppar antingen robotrörelsen, reducerar robotens hastighet och triggar sedan ett stopp eller aktiverar bara ett stopp efter en kollision mellan roboten och människan inträffade. I system 3 minskas storleken på stoppzonen genom att kombinera hastighets- och separationsövervakningsprincipen med det kraft- och kraftbegränsande skyddsläget. Säkerhetszoner är statiska och beräknas enligt skyddsavståndet i ISO / TS 15066. En riskbedömning görs för att minska alla risker till en acceptabel nivå och leda till den slutliga säkerhetssystemdesignen efter tre iterationer. Som ett bevis på konceptet är den slutliga säkerhetssystemdesignen implementerad för en demonstrant i en laboratoriemiljö hos Scania. Genom en genomförbarhetsstudie identifieras implementeringsskillnaderna mellan teori och praxis för de fyra föreslagna mönster och ett genomförbart säkerhetssystem beteende utvecklas. Robotreaktionen realiseras genom robotens säkerhetskonfiguration. Där definieras tre ESM-tillstånd för att använda robotens interna säkerhetsfunktioner och för att integrera laserscannersignalen. Laserskannern är ansluten som en digital ingång till robotkontrollens diskreta säkerhetsgränssnitt. Sammanfattningsvis beskriver detta avhandlingar säkerhetssystemdesignen med alla implementeringsdetaljer.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 79
Series
TRITA-ITM-EX ; 2019:156
Keywords [en]
human-robot collaboration, HRC and safety, human-robot interaction and safety
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-263900OAI: oai:DiVA.org:kth-263900DiVA, id: diva2:1371064
External cooperation
Scania AB
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-11-21 Created: 2019-11-19 Last updated: 2019-11-21Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3560 kB)31 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3560 kBChecksum SHA-512
706c89c99d7e340e87775dc9fbffef2b65337a1dad632923307ec3d96dc3d704e0abd0ab8fbe0a795feb82666bffee730384bf9b098bb9ca2a79ac2a148240f0
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 31 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 9 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf