Kollegen Roboter und Mensch arbeiten Hand in Hand

Für die Weiterentwicklung der Mensch-Roboter-Interaktion fördert ab April das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt „beyondSPAI“ von Professor Dr. Norbert Jung vom Institut für Sicherheitsforschung der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg mit rund 485.000 Euro für die Dauer von drei Jahren. Neben diesem Geld aus dem Programm „Forschung an Fachhochschulen“ kommen Mittel aus der Industrie in Höhe von etwa 45.000 Euro.

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“. Denn in der industriellen Produktion ist es hilfreich, wenn im Arbeitsprozess dem Menschen schwere Teile von einem Roboter präzise angereicht werden. Der Mensch kann dann weitere Arbeitsschritte durchführen, die eine Maschine nicht ohne weiteres erledigt werden können. „Smart Production“ nennt sich das im Kontext von Industrie 4.0.

Doch 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 Gruppe um Professor Jung auf die intelligente Verknüpfung unterschiedlicher Sensortechnologien speziell auch im Nahbereich der Roboter.

„Die Industrierobotersysteme der nächsten Generation sollen mit Hilfe der mehrstufigen Sensorik und einer intelligenten Software letztlich hinreichend zuverlässig erkennen können, wenn sie einem Menschen zu nah kommen und jede für den Menschen gefährliche Bewegung rechtzeitig stoppen“, erklärt Jung. Aber in einem solchen Gefährdungsfall sollte möglichst nicht die komplette Fertigungslinie stoppen müssen, sondern nur der betroffene Roboter so lange, bis seine Sensoren keine Gefährdung mehr für Menschen anzeigen. Die kollaborierenden Roboter sollen sozusagen unmittelbare Kollegen des Menschen werden, mitdenken und flexibel auf den Menschen neben sich reagieren können.

Mehrstufige Sensorik

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 ihrer speziellen Reflexions-Charakteristik im Nah-Infrarotbereich, ihre „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.

In einem mittleren Abstand zum Roboter soll ein Nah-Infrarot Kamerasystem zur Überwachung eines weiter gefassten Schutzraumes eingesetzt werden. Das Kamerasystem ist wie die 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 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.

Wegen der Praxisrelevanz für zukünftige Produktionsverfahren konnte die Hochschule neben der Universität Siegen, das Institut für Arbeitsschutz der DGUV, die TH Köln und das Unternehmen K. A. Schmersal als Partner gewinnen.