Systém detekce kolizí ramen průmyslových robotů

Matěj Skrbek

Diplomová práce

Industrial Robot Arm Collision Detection System

Anotace:

Tato diplomová práce se zabývá návrhem a implementací systému pro detekci kolizí průmyslových robotů pracujících ve sdíleném pracovním prostoru. Hlavním cílem je vytvořit externí řešení nezávislé na řídicích systémech jednotlivých robotů, které umožňuje v reálném čase sledovat jejich stav, vyhodnocovat vzájemnou polohu a detekovat potenciální kolizní situace. Navržený systém využívá zjednodušený geometrický model robotů založený na aproximaci jednotlivých článků pomocí kapslí. Tento přístup umožňuje efektivní výpočet minimálních vzdáleností mezi segmenty robotů při zachování nízké výpočetní náročnosti, což je podstatné pro aplikace pracující v reálném čase. Výpočet polohy robotů je realizován pomocí dopředné kinematiky na základě aktuálních hodnot kloubových souřadnic získaných z řídicích systémů robotů prostřednictvím komunikačního rozhraní OpenShowVar. Součástí řešení je také implementace digitálního dvojčete robotického pracoviště, které umožňuje vizualizaci aktuálního stavu systému ve 3D prostředí. V případě detekce kolize systém aktivuje výstupní signál prostřednictvím průmyslového IoT zařízení Siemens SIMATIC IOT2050, který ovládá relé zapojené do bezpečnostního obvodu robotů a zajišťuje jejich zastavení. Výsledky práce potvrzují, že navržený systém umožňuje spolehlivou detekci kolizí při zachování dostatečné rychlosti zpracování pro reálné nasazení. Řešení zároveň nabízí vysokou flexibilitu a možnost dalšího rozšíření o pokročilejší metody modelování a predikce kolizních stavů.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design and implementation of a collision detection system for industrial robots operating in a shared workspace. The main objective is to develop an external solution independent of the internal control systems of individual robots, capable of monitoring their state in real time, evaluating their spatial relationships, and detecting potential collision situations. The proposed system utilizes a simplified geometric model of robot arms based on capsule approximations of individual segments. This approach enables efficient computation of minimum distances between robot segments while maintaining low computational complexity, which is essential for real-time applications. The spatial positions of the robots are determined using forward kinematics based on joint coordinates obtained from the robot controllers via the OpenShowVar communication interface. The solution also includes the implementation of a digital twin of the robotic workstation, allowing real-time 3D visualization of the system state. In the event of a detected collision, the system activates an output signal via an industrial IoT device, Siemens SIMATIC IOT2050, which controls a relay integrated into the safety circuit of the robots and ensures their immediate stop. The results demonstrate that the proposed system provides reliable collision detection while maintaining sufficient processing speed for real-world deployment. Furthermore, the solution offers high flexibility and the potential for future extensions, such as more advanced geometric modeling or predictive collision detection methods.

Klíčová slova

detekce kolizí, průmyslový robot, digitální dvojče, dopředná kinematika, kapslový model, IoT, OpenShowVar

Keywords

collision detection, industrial robot, digital twin, forward kinematics, capsule model, IoT, OpenShowVar

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 4. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 4. 6. 2026
• Vedoucí: Radim Hercík
• Oponent: Radek Byrtus

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Magisterský studijní program:
Řídicí a informační systémy