Beyond SPAI

Industrieroboter könnten angesichts der heute vorhandenen technischen Möglichkeiten wesentlich effizienter eingesetzt werden als bisher. Doch aus Gründen der Unfallvermeidung arbeiten sie noch fast ausschließlich "unter sich". Menschen werden aus dem Arbeitsbereich entweder durch Zäune komplett ferngehalten oder die Arbeitsgeschwindigkeit der Roboter wird erheblich gedrosselt, wenn Menschen ausnahmsweise doch im Gefahrenbereich sein müssen, zum Beispiel bei der Wartung.

Dabei wäre es für die Produktivität hilfreich, wenn etwa im normalen Arbeitsprozess schwere Teile dem Menschen von einem Roboter präzise angereicht werden, damit dieser Arbeitsschritte durchführen kann, die von einer Maschine nicht ohne Weiteres erledigt werden können.

"Smart Production" nennt sich das und bedeutet innerhalb des Zukunftsprojekts "Industrie 4.0" im Fall des Projekts "beyondSPAI" die Weiterentwicklung der Mensch-Roboter-Interaktion in Bezug auf die Sicherheit. Allerdings erfordert dies eine andere Art von Schutzmaßnahmen als die eingangs genannten Umzäunungen. Die kollaborierenden Roboter sollen sozusagen unmittelbare Kollegen des Menschen werden, die mitdenken und flexibel auf den Menschen neben sich reagieren können.

Das Projekt ist die Fortsetzung des Projekts "SPAI- Sichere Personendetektion im Arbeitsbereich von Industrierobotern durch ein aktives NIR-Kamerasystem."

Das Forschungsvorhaben der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg betrachtet sowohl die Absicherung des Fernbereich als auch des kritischen Nahbereichs direkt zwischen Mensch und dem "Kollegen Roboter". Dazu bedarf es einer mehrstufigen, verzahnten Absicherung, um die Effizienz der Kollaboration auszuschöpfen und zugleich die Sicherheit der Mitarbeiter zu gewährleisten. Zur Lösung setzt die Projektgruppe auf die intelligente Verknüpfung unterschiedlicher Sensortechnologien speziell auch im Nahbereich der Roboter.

Direkt am Roboter montierte Sensoren sollen einen Schutzraum eng um die beweglichen Teile des Systems aufspannen. An dieser Stelle sollen sowohl optische Punktsensoren direkt am Werkzeug des Roboters als auch ein Netz aus Ultraschallsensoren zum Einsatz kommen. Optische Sensoren ermöglichen die zuverlässige Unterscheidung der relevanten Materialoberflächen und eignen sich speziell zur Detektion von Haut anhand deren spezieller Reflexions-Charakteristik im Nah-Infrarotbereich, über eine sogenannte "spektrale Signatur". Die Haut von Menschen kann mit dieser Methode unabhängig von Hautfarbe, Geschlecht und Alter sicher erkannt werden und sie ist bezüglich der Zuverlässigkeit einer Erkennung anhand von Farbmerkmalen im sichtbaren Spektralbereich weit überlegen. Diese Eigenschaft kann besonders am Werkzeug des Roboters genutzt werden, um in letzter Instanz beispielsweise das Anwenden des Schweißwerkzeugs an einem Arm oder einer Hand zu verhindern. Zusammen mit den Ultraschallsensoren und etwaigen weiteren Sensortypen wird so eine mehrfach redundante Überwachung des nahen Gefahrenbereichs direkt um den Roboter ermöglicht.

In einem mittleren Abstand zum Roboter soll ein spezielles Nah-Infrarot Kamerasystem zur Überwachung eines weiter gefassten Schutzraumes eingesetzt werden. Das Kamerasystem ist analog zu den optischen Sensoren für den Nahbereich in der Lage, Haut mit einer hohen Robustheit zu erkennen. In diesem Fall werden spezielle Bildverarbeitungsalgorithmen zur Erkennung von Personen durch die Hautinformationen ergänzt, um die Silhouette von Menschen im Bild sicher zu erkennen. Dieses System soll dazu auf einem steuerbaren mobilen Chassis montiert werden, das eine Ausrichtung der Kamera auf einen situationsabhängig kritischen Gefahrenbereich ermöglicht. Dieser kann vom Schutzsystem durch die von der Programmierung des Roboters bekannten Informationen über die nächsten Aktionen identifiziert werden. So können gezielt Bereiche überwacht werden, in denen sich für die nächste geplante Bewegung des Roboters keine Menschen befinden sollten.

Die Industrierobotersysteme sollen mit Hilfe der beschriebenen Sensorik und einer intelligenten Software letztlich zuverlässig erkennen können, wenn sie einem Menschen zu nah kommen und jede für den Menschen gefährliche Bewegung rechtzeitig stoppen. Aber in einem solchen Gefährdungsfall muss nach Möglichkeit nicht die komplette Fertigungslinie anhalten, sondern nur der betroffene "Kollege Roboter" bis zu dem Zeitpunkt, wenn seine Sensoren keine Gefährdung für Menschen im Gefahrenbereich mehr anzeigen.

Wegen der Praxisrelevanz für zukünftige Produktionsverfahren konnte die Hochschule das Institut für Arbeitsschutz der DGUV, die TH Köln und das Unternehmen K. A. Schmersal GmbH & Co. KG für eine Projektmitarbeit gewinnen, wobei das Unternehmen zudem 10 % der Projektkosten trägt. Aber auch intern stellt sich die Hochschule mit einer Kooperation zwischen den Fachbereichen "Informatik" und "Elektrotechnik & Maschinenbau" interdisziplinär auf, um das Forschungsvorhaben mit den nötigen Fachkompetenzen erfolgreich durchzuführen.