ISO Referenz und Kraft Constraint

bibliography.bib

@@ -16,6 +16,16 @@
 	file = {Zhang und Sobh - 2003 - Obstacle Avoidance for Manipulators.pdf:C\:\\Users\\jimmo\\Zotero\\storage\\ZR4B7JG3\\Zhang und Sobh - 2003 - Obstacle Avoidance for Manipulators.pdf:application/pdf},
 }
 
+@article{force_control,
+	author={T. {Yoshikawa}},
+	journal={IEEE Journal on Robotics and Automation}, 
+	title={Dynamic hybrid position/force control of robot manipulators--Description of hand constraints and calculation of joint driving force}, 
+	year={1987},
+	volume={3},
+	number={5},
+	pages={386-392},
+	doi={10.1109/JRA.1987.1087120}}
+
 @article{soft_robotics_2018,
 	title = {Soft {Robotics}},
 	volume = {57},
@@ -531,3 +541,11 @@
 	isbn={978-3-319-26052-5},
 }
 
+@techreport{ISO_15066,
+	type={Norm},
+	title={DIN ISO/TS 15066 (DIN SPEC 5306):2017-04},
+	month={April},
+	year={2017},
+	institution={DIN Deutsches Institut für Normung e. V.},
+}
+

sections/einleitung.tex

@@ -7,7 +7,14 @@ Gerade in unbekannten und sich ändernden Umgebungen ist es nicht praktikabel  B
 nachfolgend taxonomisch zu erfassen. Einschränkungen dieser Arten sind dabei von Zeit, Arbeitskontext
 und aktueller Aufgabe eines Cobots abhängig.
 
-Neben einer konzeptionellen Analyse der verschiedenen Einschränkungen erfolgt eine Evaluation anhand eines einfachen Anwendungsfalls einer kollaborativer Mensch-Roboter-Interaktion. In diesem Anwendungsfall werden zwei Roboter betrieben. Der erste Roboter ist dafür verantwortlich
+\begin{figure}
+	\centering	
+	\includegraphics[height=\textheight, width=\textwidth, 		  	keepaspectratio]{images/Aufgabenstellung.jpg}	
+	\caption{Aktivitätsdiagramm der Aufgabenstellung}
+	\label{fig:aufgabenstellung}
+\end{figure}
+
+Neben einer konzeptionellen Analyse der verschiedenen Einschränkungen erfolgt eine Evaluation anhand eines einfachen Anwendungsfalls einer kollaborativer Mensch-Roboter-Interaktion. In diesem Anwendungsfall werden zwei Roboter betrieben. Wie in Abbildung~\ref{fig:aufgabenstellung} dargestellt, ist der erste Roboter ist dafür verantwortlich
 ein Gefäß mit einer Flüssigkeit aus einem anderen Gefäß zu befüllen. Diese Aktion wird
 durch einen Menschen explizit eingeleitet. Der zweite Roboter nimmt das befüllte Gefäß entgegen
 und stellt es schließlich dem menschlichen Nutzer bereit. Dies geschieht wiederum automatisch.

sections/grundlagen.tex

@@ -10,7 +10,7 @@ Diese Arbeit bezieht sich in erster Linie auf industrielle Roboter oder auch ind
 
 \section{Cobots}
 Roboter sind dem Menschen in vielen Bereichen deutlich überlegen. So sind sie durchgängig einsetzbar und arbeiten weitaus genauer, als es einem Menschen möglich wäre. Die Überwachung und Entscheidungsfindung obliegt jedoch oft noch dem Menschen \textcolor{blue}{Zum Beispiel:}. Gerade in Bereichen, die ein hohes Maß an individualisierten Arbeitsschritten enthalten, ist es heute noch nicht praktikabel menschliche Arbeiter vollständig zu ersetzen. Um trotzdem auch die Vorteile des Einsatzes von Robotern auszunutzen, ist es wichtig eine Umgebung zu schaffen, in der Roboter und Menschen sich einen gemeinsamen Arbeitsbereich teilen~\cite{siciliano_springer_2008}.
-In solchen kollaborativen Zellen ist es notwendig, dass der Roboter eine Reihe von Sicherheitsbestimmungen gerecht wird \textcolor{blue}{[ISO 15066]} und in der Lage ist, auf unerwartetes Verhalten des Menschen zu reagieren. Indem er sein eigenes Verhalten entsprechend anpasst und dadurch Verletzungen verhindert, kann eine stets sichere Arbeitsumgebung gewährleistet werden~\cite{tactile_internet_ceti}. Erfüllt ein Roboter diese Vorgaben und kann für kollaborative Arbeiten mit Menschen eingesetzt werden, spricht man von einem Cobot.
+In solchen kollaborativen Zellen ist es notwendig, dass der Roboter eine Reihe von Sicherheitsbestimmungen gerecht wird~\cite{ISO_15066} und in der Lage ist, auf unerwartetes Verhalten des Menschen zu reagieren. Indem er sein eigenes Verhalten entsprechend anpasst und dadurch Verletzungen verhindert, kann eine stets sichere Arbeitsumgebung gewährleistet werden~\cite{tactile_internet_ceti}. Erfüllt ein Roboter diese Vorgaben und kann für kollaborative Arbeiten mit Menschen eingesetzt werden, spricht man von einem Cobot.
 
 \section{Pose}
 Die Pose eines Roboters beschreibt seine Position und Orientierung im Raum~\cite{siciliano_springer_2008}. Im Raum definiert werden kann eine Pose im \glqq Joint Space\grqq{} und im \glqq Cartesian Space\grqq{}. Eine Definition im \glqq Joint Space\grqq{} ist vollständig, da in ihr der Wert jedes Gelenks definiert ist. In der Regel ist aber vor allem die Pose des Endeffektors von Interesse. Durch einer Vorwärtstransformation oder auch Vorwärtskinematik, kann diese Pose anhand der Gelenkwerte bestimmt werden. Eine Beschreibung im \glqq Cartesian Space\grqq{} ist nicht vollständig, da hier lediglich die Pose des Endeffektors, in Form von kartesischen Koordinaten, definiert ist~\cite{yu_chapter_2018}.

sections/tax_einordnung.tex

@@ -40,9 +40,7 @@ Die Kollaboration mit Menschen oder anderen Robotern resultiert in weiteren Cons
 	\item Andere Maßnahmen wie die Berücksichtigung von weiteren Gefahrenquellen durch bestimmte Werkstücke und Werkzeuge
 
 \end{enumerate}
-Können diese Anforderungen nicht erfüllt werden, ist es notwendig den Arbeitsbereich zu überwachen, um auf die Anwesenheit eines Menschen oder anderen Roboters reagieren zu können. Eine allgemeine Möglichkeit, zur Modellierung einer Roboter Applikation, ist aus allen verfügbaren Informationen ein Weltmodell zu erstellen, welches alle Entitäten in der Umgebung des Roboters und den Roboter selbst enthält und ein Bewegungsmodell, welches alle Bewegungen beschreibt~\cite{tactile_internet_ceti}. Für Anwendungen, in denen es zu einer Überschneidung der Arbeitsbereiche kommen kann, können innerhalb des Weltmodells Sicherheitszonen definiert werden, die das Verhalten und die Bewegungsplanung des Roboters beeinflussen~\cite{tactile_internet_ceti}. George Michalos et al.~\cite{michalos_design_2015} definieren drei Strategien, wie auf das Auftreten eines neuen Hindernisses in einer solchen Sicherheitszone reagiert werden kann:
-
-\textcolor{blue}{[Was wenn der Roboter eine Safezone betritt?]}
+Können diese Anforderungen nicht erfüllt werden, ist es notwendig den Arbeitsbereich zu überwachen, um auf die Anwesenheit eines Menschen oder anderen Roboters reagieren zu können. Eine allgemeine Möglichkeit, zur Modellierung einer Roboter Applikation, ist aus allen verfügbaren Informationen ein Weltmodell zu erstellen, welches alle Entitäten in der Umgebung des Roboters und den Roboter selbst enthält und ein Bewegungsmodell, welches alle Bewegungen beschreibt~\cite{tactile_internet_ceti}. Für Anwendungen, in denen es zu einer Überschneidung der Arbeitsbereiche kommen kann, können innerhalb des Weltmodells Sicherheitszonen definiert werden, die das Verhalten und die Bewegungsplanung des Roboters beeinflussen~\cite{tactile_internet_ceti}. George Michalos et al.~\cite{michalos_design_2015} definieren vier Strategien, wie auf das Auftreten eines neuen Hindernisses in einer solchen Sicherheitszone reagiert werden kann:
 
 \begin{enumerate}
 	\item Die Geschwindigkeit und Kraft wird limitiert, um die Verletzungsgefahr zu minimieren. Auch Yamada et al.~\cite{yamada_human-robot_1997} zeigten in einer Untersuchung zur menschlichen Schmerztoleranz, dass Kollisionen mit einer Kontaktkraft von bis zu $50 N$ für Mensch-Roboter Interaktionen praktikabel sind.
@@ -54,7 +52,7 @@ Können diese Anforderungen nicht erfüllt werden, ist es notwendig den Arbeitsb
 	\item Wurde eine Sicherheitszone außerhalb des aktiven Arbeitsbereichs definiert, kann der menschliche Arbeiter gewarnt werden, bevor dieser den Arbeitsbereich betritt und eine der ersten drei Reaktionen provoziert.
 \end{enumerate}
 
-\textcolor{blue}{[Beschreibe das einfach unabhängig vom Framework. Wir können ja z.B. Boxen, Oktomaps, usw. haben. Schaue was du da findest liste es und beschreibe es kurz + (wenn gefunden / logisch) vor und nachteile davon. Aber kein Buch ;) 2-3 sätze pro ... und achte darauf das du so begründen kannst was du genommen hast (primitive objekte wo ja u.a. es einfacher ist eintreten in sie zu berechnen, aber mergen von mehreren zonen schlechter ist denke ich)]}
+
 
 \paragraph{Verbotene Zonen}
 Verbotene Zonen können als Spezialfall von Sicherheitszonen definiert werden. Sie führen bei Betreten nicht zu einer Änderung des Verhaltens, sondern dürfen gar nicht erst vom Roboter geschnitten werden, wodurch der Arbeitsbereich effektiv eingeschränkt wird. Zhang et al.~\cite{zhang_obstacle_2008} beschreiben einen Algorithmus, der Hindernisse als verbotene Zonen behandelt. Im Motion-Planning-Schritt werden alle Pfade, die eine solche Zone schneiden verworfen. Da Zonen eine Abstraktion der Hindernisse ist, können sie auch für Bereiche definiert werden, die zwar kein Hindernis darstellen, jedoch trotzdem nicht vom Roboter geschnitten werden sollen, wie der Arbeitsbereich eines Menschen oder eines anderen Roboters.
@@ -130,14 +128,14 @@ Die Handlungen, die ein Roboter ausführen kann sind maßgeblich durch seine mec
 Die dritte Untergruppe der Constraints sind Beschränkungen in der Bewegung des Roboters. In Abgrenzung zu den Pfad-Constraints, die den Pfad schon während des Planungsschrittes beschränken, schränken Bewegungs-Constraints die physische Bewegung beziehungsweise die Ausführung der Trajektorie ein. Dazu gehören die Beschränkung der Beschleunigung, der Geschwindigkeit, der Orientierung und der Kraft. Diese werden in den folgenden Abschnitten näher erläutert.
 
 \subsection{Geschwindigkeit}
-Die Begrenzung der Geschwindigkeit ist elementar für einen sicheren Betrieb im kollaborativen Umfeld. Die maximal zulässige Geschwindigkeit ist laut ISO 15066 \textcolor{blue}{[ISO Referenz]} abhängig von der Trägheit beziehungsweise der Masse des Roboters und der sich im Arbeitsbereich befindenden Körperregion des Menschen. Die oberen Grenzwerte sind in Abbildung~\ref{fig:v_max} dargestellt. Bei Kollisionen unterhalb dieser Grenzen soll es zwar zu leichten Verletzungen wie einem Bluterguss kommen können, schwerere Verletzungen, wie die Penetration der Haut oder Brüche, können dadurch aber verhindert werden. 
+Die Begrenzung der Geschwindigkeit ist elementar für einen sicheren Betrieb im kollaborativen Umfeld. Die maximal zulässige Geschwindigkeit ist laut ISO 15066~\cite{ISO_15066} abhängig von der Trägheit beziehungsweise der Masse des Roboters und der sich im Arbeitsbereich befindenden Körperregion des Menschen. Die oberen Grenzwerte sind in Abbildung~\ref{fig:v_max} dargestellt. Bei Kollisionen unterhalb dieser Grenzen soll es zwar zu leichten Verletzungen wie einem Bluterguss kommen können, schwerere Verletzungen, wie die Penetration der Haut oder Brüche, können dadurch aber verhindert werden. 
 
 Neben der Begrenzung der Geschwindigkeit aus Sicherheitsgründen können auch aufgabenspezifische Anforderungen eine weitere Einschränkung erfordern. Eine solche Anforderung wäre zum Beispiel das Reißen einer Schweißnaht zu verhindern.
 
 \begin{figure}
 	\centering	
 	\includegraphics[height=\textheight, width=\textwidth, 		  	keepaspectratio]{images/v_max.png}	
-	\caption{Maximale Geschwindigkeiten des Roboters in Abhängigkeit seiner effektiven Masse \textcolor{blue}{[ISO Referenz]}}
+	\caption{Maximale Geschwindigkeiten des Roboters in Abhängigkeit seiner effektiven Masse~\cite{ISO_15066}}
 	\label{fig:v_max}
 \end{figure}
 
@@ -146,4 +144,6 @@ Neben der Begrenzung der Geschwindigkeit aus Sicherheitsgründen können auch au
 Das Bewegen von Objekten erfordert häufig auch die Einschränkung der Beschleunigung. Dies ist insbesondere beim Umgang mit Flüssigkeiten notwendig, um die Trägheit der Flüssigkeit berücksichtigen zu können und so ein unkontrolliertes Überschwappen zu vermeiden \cite{maderna_robotic_2018}.
 
 \subsection{Kraft}
-Die Beschränkung der Kraft kann auf zweierlei Weise erfolgen. Zum einen kann die Kraft beschränkt werden, mit der sich der Roboter bewegt und eventuell Objekte verschiebt und zum anderen kann die Kraft beschränkt werden, mit der der Endeffektor ein Objekt greift. Letzteres ist vor allem bei nicht-soliden Objekten notwendig, die sich bei einer zu hohen Kraft verformen würden \textcolor{blue}{[Beispiel und Referenz einfügen]}. 
+Die Beschränkung der Kraft kann auf zweierlei Weise erfolgen. Zum einen kann die Kraft beschränkt werden, mit der sich der Roboter bewegt und eventuell Objekte verschiebt und zum anderen kann die Kraft beschränkt werden, mit der der Endeffektor ein Objekt greift~\cite{force_control}. Letzteres ist vor allem bei nicht-soliden Objekten notwendig, die bei einer zu hohen Krafteinwirkung beschädigt werden oder sich verformen würden.
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+
+So wie die Geschwindigkeit limitiert wird, um die Auftrittskraft bei einer Kollision zu beschränken, kann auch die Kraft allgemein so weit beschränkt werden, dass die in der ISO 15066 gegebenen Grenzwerte nicht überschritten werden~\cite[Tabelle A.2]{ISO_15066}. Die niedrigste maximal zulässige Kraft ist dabei mit 65 Newton für das Gesicht angegeben.  
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