Inhalt

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  1 Einleitung
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   1.1 Problemstellung – Thema der Arbeit
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   1.2 Aufgabenstellung
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  1.3 Motivation
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   1.3.1 Allgemein – Ziele der kollaborierenden Robotik
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   1.3.2 Speziell – Unfallgeschichte mit industriellen Robotern
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  1.4 Einordnung der Arbeit
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   1.4.1 Effiziente und sichere Interaktion von Menschen und intelligenten Produktionsanlagen – EsIMiP
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   1.4.2 Institut für Arbeitsschutz der deutschen gesetzlichen Unfallversicherung – IFA
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   1.5 Thesen
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   1.6 Vorgehensweise
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  2 Rechtliche Grundlagen für die Sicherheit von Schutzeinrichtungen an Maschinen
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   2.1 Europäischer Binnenmarkt
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  2.2 Richtlinien – Inverkehrbringen
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   2.2.1 Europäische Maschinenrichtlinie 2006/42/EG
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   2.2.2 Sonstiges Binnenmarktrecht
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   2.3 Richtlinien – Arbeitsschutz
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   2.3.1 Arbeitsschutz-Rahmenrichtlinie 89/391/EWG
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   2.3.2 Arbeitsmittelbenutzungsrichtlinie 2009/104/EG
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   2.4 Nationales Recht als Umsetzung des EG-Rechts
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   2.4.1 Produktsicherheitsgesetz - ProdSG -
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   2.4.2 Maschinenverordnung - 9. ProdSV -
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   2.4.3 Arbeitsschutzgesetz
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   2.4.4 Betriebssicherheitsverordnung - BetrSichV -
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   2.4.5 Bezugnahmen auf technische Regeln in Rechtsvorschriften
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   2.4.5.1 Allgemein anerkannte Regeln der Technik
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   2.4.5.2 Stand der Technik
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   2.4.5.3 Stand der / von Wissenschaft und Technik
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   2.5 Zusammenfassung: Rechtliche Einordnung des Robotersystems
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  3 Technische Anforderungen an Schutzeinrichtungen für Robotersysteme
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   3.1 Sicherheitstechnische Anforderungen aus der MRL
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   3.1.1 Auswahl von Schutzeinrichtungen
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   3.1.2 Anforderungen an Schutzeinrichtungen
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   3.1.3 MRL - Steuerungen und Befehlseinrichtungen
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   3.1.4 Strahlung von außen
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   3.1.5 Lärmanforderungen
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  3.2 Sicherheitstechnische Anforderungen aus Normen
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   3.2.1 Angewandte Normen
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  3.2.2 EN ISO 10218 Teil 1 und 2 „Industrielle Roboter“
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   3.2.2.1 Benötigter Performance Level für kollaborierende Roboter
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   3.2.2.2 Sicher begrenzte Geschwindigkeit
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   3.2.2.3 Anforderungen an den Arbeitsraum / Kollaborationsraum
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  3.2.3 EN ISO 13849-1 „Sicherheitsbezogene Teile von Steuerungen“
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   3.2.3.1 Anforderungen an die Programmierung
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  3.2.3.2 Anforderung an die Sicherheit der Steuerung
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   3.2.3.2.1 Kategorie
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   3.2.3.2.2 Performance Level
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   3.2.3.2.3 Ausfälle aufgrund gemeinsamer Ursache - CCF
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   3.2.3.3 Fehlerbetrachtung nach EN ISO 13849-1
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   3.2.4 EN ISO 13855 „Anordnung von Schutzeinrichtungen“
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   3.2.4.1 Eindringabstand
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   3.2.4.2 Nachlauf des gesamten Robotersystems
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   3.2.4.3 Mindestabstand
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   3.2.4.4 Bewegungsgeschwindigkeit
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   3.2.5 EN 61496-1 „Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen“
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   3.2.6 VDI 2058-2 und VDI 3766 „Am Arbeitsplatz erlaubter Ultraschallpegel“
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   4 Arbeitssystem
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   4.1 Arbeitssystem des Demonstrators im Projekt EsIMiP
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   4.2 Arbeitsmittel
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   4.3 Arbeitsgegenstand
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  5 Übersicht über kollaborierende Roboter
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  5.1 Stand der Technik in der Robotik
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   5.1.1 Sicher begrenzter Arbeitsraum
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   5.1.2 Schutzeinrichtungen
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   5.1.3 Handgeführte Roboter
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   5.1.4 Einzelplatzlösungen
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  5.2 Stand von Wissenschaft und Technik in der Robotik
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   5.2.1 Untersuchung und Vergleich von eingesetzten Sensorsysteme an kollaborierenden Robotern
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   5.2.1.1 Platzierung der Sensoren im Arbeitsplatz
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   5.2.1.2 Aktive und passive Sensorsysteme
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  5.2.2 Untersuchung und Vergleich von eingesetzten Sensortypen an kollaborierenden Robotern
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   5.2.2.1 Taktile / Momenten-Sensoren
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   5.2.2.2 Optoelektronische Sensoren (Kameras)
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   5.2.2.3 Optoelektronische Sensoren (Laserscanner)
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   5.2.2.4 Ultraschallsensoren
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   5.2.2.5 Kapazitive Sensoren
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   5.2.2.6 Radar (Mikrowellen)
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   5.2.3 Fazit
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  6 Entwicklung eines Sensorkonzeptes
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   6.1 Mögliche Sensorkonzepte
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  6.1.1 Egozentrischen Platzierung
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   6.1.1.1 Im Kreis um den Arm platziert
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   6.1.1.2 Am oberen Ende des Arms platziert, zum Tool Center Point messend
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   6.1.1.3 Mittig platziert, in verschiedenen Winkeln nach allen Seiten messend
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   6.1.1.4 Flächendeckend platziert
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   6.1.1.5 Senkrecht zum Tool Center Point messend
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   6.1.1.6 In verschiedenen Winkeln in Bewegungsrichtung des Tool Center Point messend
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   6.1.1.7 Bewegliche Anbringung
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   6.1.2 Messung mit mehreren Ultraschallsensoren
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  6.2 Auswahl des Sensorkonzepts
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   6.2.1 Egozentrischen Platzierung
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   6.2.2 Messung mit mehreren Ultraschallsensoren
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  7 Entwicklung eines Algorithmus zur Robotersteuerung
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   7.1 Bestimmung des freien Raums
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   7.1.1 Erfassung aller Sensoren als ein Messwert
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   7.1.2 Geometrische Formen der Ultraschallkeulen als Oberfläche vereinen
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   7.1.3 Kombination aller Sensorwerte in Voxeln
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   7.1.4 Kombination aller Sensorwerte in einem Octree
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  7.1.5 Kombination aller Sensorwerte zu einer Außenfläche des freien Raums
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   7.1.5.1 Geometrische Vereinfachung der Sensorkeulen
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  7.1.5.2 Vereinigung der Oberflächen der Kugelausschnitte zu einer gemeinsamen Oberfläche
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   7.1.5.2.1 Verlustfreie Vereinigung der Oberflächen
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   7.1.5.2.2 Rasternetz zur Vereinigung der Oberflächen
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   7.1.5.2.3 Algorithmus zur einkanaligen Vereinigung der Oberflächen mittels Rasternetz
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   7.1.5.2.4 Erweiterung des Algorithmus auf zweikanalige Vereinigung der Oberflächen mittels Rasternetz
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   7.1.5.2.5 Vorbereiten der Oberfläche für Kollisionsberechnung
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   7.1.5.2.6 Anpassen der Oberfläche an den erforderlichen Mindestabstand
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   7.1.5.2.7 Anpassen der Oberfläche an die Möglichkeit der waagerechten Eindringung
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   7.1.5.2.8 Fazit zur Methode der Vereinigung der Oberflächen mittels Rasternetz
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  7.2 Bestimmung der zulässigen Geschwindigkeit
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   7.2.1 Bekannte Ansätze zur Bestimmung der maximal zulässigen Geschwindigkeit
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   7.2.2 Entwickelter Ansatz zur Bestimmung der maximal zulässigen Geschwindigkeit
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   7.2.2.1 Bestimmung der geplanten Roboterbewegung
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   7.2.2.2 Bestimmung der Kollision mit der Oberfläche des freien Raums
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   7.2.3 Berechnung der Kollision mit dem angezeigten freien Raum auf der vorgegebenen Bewegungsbahn
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   7.3 Dynamisierung des Sicherheitsabstands
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   7.4 Bekannte statische Objekte im Arbeitsraum
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   7.4.1 Reales und virtuelles Einlernen der Umgebung
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   7.4.2 Karte der statischen Umgebung
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   7.4.3 Unterscheidung der statischen und dynamischen Objekte
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  8 Aufbau der Programme
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   8.1 Kalibrierung der Position der Sensoren am Roboterarm – 2D
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   8.2 Kalibrierung der Position der Sensoren am Roboterarm – 3D
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   8.3 Erfassung der Umgebung mit Ultraschallsensoren – erster Demonstrator
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   8.4 Ansteuerung der Schnittstellen mittels EtherCAT
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  8.5 Erfassung der Umgebung mit Ultraschallsensoren – zweiter Demonstrator
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   8.5.1 Für die Demonstratorschiene ohne Roboter
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   8.5.2 Erweiterung um Roboterschnittstelle und Position
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  9 Untersuchung der Qualität und Sicherheit der Schutzeinrichtung
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   9.1 Rechenaufwand der Berechnung der maximal zulässigen Geschwindigkeit
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  9.2 Fehlerbetrachtung nach EN ISO 13849-1
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  9.2.1 Nachweis des erreichten Performance Levels - PL -
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   9.2.1.1 Erreichte Kategorie
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   9.2.1.2 Erreichte mittlere Zeit jedes Kanals bis zum gefahrbringenden Ausfall - MTTFd
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   9.2.1.3 Erreichter Diagnosedeckungsgrad - DC
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   9.2.1.4 Erreichter Performance Level - PL - Ergebnis
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   9.2.2 Erreichter Schutz gegen Ausfälle durch gemeinsame Ursachen - CCF
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   9.3 Einteilung des Typs der Berührungslos wirkenden Schutzeinrichtung nach EN 61496-1
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   9.4 Messung und Beurteilung der Ultraschallbelastung durch das Sensorarray
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   9.5 Umsetzung der signifikanten grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsschutzanforderungen
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   9.5.1 Steuerungen und Befehlseinrichtungen
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   9.5.2 Anforderungen an Schutzeinrichtungen
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   9.5.3 Risiken durch sonstige Gefährdungen
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  10 Zusammenfassung und Ausblick
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   10.1 Zusammenfassung
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   10.2 Thesen Betrachtung
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   10.3 Praktischer Nutzen
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   10.4 Ausblick
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  11 Verzeichnisse
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   11.1 Abbildungsverzeichnis
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   11.2 Tabellenverzeichnis
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   11.3 Abkürzungsverzeichnis
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   11.4 Literaturverzeichnis
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   11.4.1 Europäische Verträge, Richtlinien sowie nationale Gesetze und Verordnungen
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   11.4.2 Normen und Technische Regeln
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   11.4.3 Veröffentlichungen zu kollaborierende Roboter – allgemein
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   11.4.4 Veröffentlichungen zu kollaborierende Roboter – existierende Produkte
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   11.4.5 Veröffentlichungen zu kollaborierende Roboter – aus EsIMiP, ohne eigene Beteiligung
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   11.4.6 DGUV Artikel und Paper
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   11.4.7 Eigene Werke
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   12 Anhang I: Maximale Geschwindigkeit des Reis RV 30-16
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  13 Anhang II: Beschreibung der gewählten Hard- und Software
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  13.1 Hardware
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   13.1.1 microsonic Ultraschallsensor
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   13.1.2 BOSCH Ultraschallsensor
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   13.1.3 Beckhoff EtherCAT-Koppler und Klemmen
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   13.1.4 EtherCAT−Slavekarte
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   13.1.5 Sensorbefestigung
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   13.1.6 Knickarmroboter – Reis RV 30-16
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  13.2 Software
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   13.2.1 TwinCAT I/O
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   13.2.2 Microsoft Visual Studio 2008 / 2010 Express
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  14 Anhang III: Mathematische Formeln zur Berechnung der Kollision
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   14.1 Bestimmung der Oberfläche des freien Raums
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   14.1.1 Berechnung der Rasterlinienlänge über den Sinussatz
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   14.1.2 Berechnung der Rasterlinienlänge über den Satz des Pythagoras
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   14.1.3 Rechenaufwand zur Bestimmung der Oberfläche des freien Raums
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  14.2 Kollision mit der Oberfläche des freien Raums
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   14.2.1 Berechnung des Durchstoßpunkts in der Oberfläche des freien Raums
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   14.2.2 Optimierung der Rechenzeit
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   14.3 Rechenaufwand zur Bestimmung der Lage des Roboterarms im dreidimensionalen Raum