Geschützte Nutzerdaten und technologische Basis

Die Visualisierung des Robotermodells im ‚Cobot-Planer‘. Ein vereinfachtes 3D-Modell des Roboters verdeutlich dessen Zustand zum Zeitpunkt der Kollision und die Lage der Kollisionsstelle.

© Fraunhofer IFF

Die Eingaben der Nutzer können durchaus vertrauliche Informationen enthalten. Um sie vor unberechtigtem Zugriff zu schützen, speichert der Cobot-Planer die Eingabedaten nicht. Der Server, auf dem die Web-Anwendung läuft, ist so konfiguriert, dass er alle Eingaben unwiderruflich löscht, sobald ein Nutzer länger als 30 Minuten inaktiv war. Um die Eingabedaten für die spätere Wiederverwendung dauerhaft zu speichern, kann der Nutzer den gesamten Workspace des Cobot-Planer herunterladen und lokal ablegen. Bei der nächsten Verwendung des Tools genügt es dann, den Workspace wieder hochzuladen. Diese sehr einfache Datenschnittstelle gewährleistet, dass die Daten beim Nutzer verbleiben.

Die Upload-Funktion des Cobot-Planer ermöglicht es zudem, Modelle – etwa zu spezifischen Robotern – aus anderen Quellen zu laden. Damit würde das eigenständige Anlegen eines Robotermodells entfallen. Die Idee ist, dass Roboterhersteller eigene Modelle zu ihren Robotern anbieten, die Nutzer direkt in den Cobot-Planer laden können. Eine erste Zusammenstellung verschiedener Robotermodelle stellt das Fraunhofer IFF auf http://www.aroundrobots.com kostenfrei zur Verfügung.

Geplant ist, den Funktionsumfang des Cobot Planer bis 2025 ständig zu erweitern. Bis Ende 2021 soll es zum Beispiel möglich sein, zwischen den Sprachen deutsch und englisch zu wechseln. Außerdem werden noch in diesem Jahr neue Körperstellen freigeschaltet, die bisher nicht anwählbar sind. In die regelmäßigen Updates fließen auch punktuelle Verbesserungen und Korrekturen ein, die Nutzer über den Cobot-Planer an das Fraunhofer IFF zurückmelden können.

Die technologische Basis

Die technologische Basis für den Cobot-Planer und dessen Simulationsteil sind verschiedene Modelle, die das Kollisionsgeschehen und dessen Wirkung auf den Menschen präzise nachbilden. Zu den Modellen zählen ein Gefährdungsmodell, ein dynamisches Robotermodell sowie ein biomechanisches Modell des Menschen.

Bei dem Gefährdungsmodell handelt es sich um ein strukturiertes Datenmodell, das die Situation, die der Kollision unmittelbar vorausgeht, anhand relevanter Merkmale aufnimmt und für die spätere Simulation wiedergibt. Das Robotermodell berücksichtigt den dynamischen Einfluss des Roboters auf das Kollisionsgeschehen. Es repräsentiert den Roboter als Mehr-Körper-System (MKS), das vor der Simulation anhand der Nutzereingaben parametriert wird. Um Nutzern den Einstieg in den Cobot-Planer zu erleichtern, hat das Fraunhofer IFF die Eingabemöglichkeiten ganz bewusst auf Angaben beschränkt, die der Nutzer auch im Datenblatt des Roboters findet. Ein statistisches Regressionsmodell schätzt dann die fehlenden Modellparameter aus den Eingaben ab und überträgt sie auf das Robotermodell. Der Entwicklung des Regressionsmodells ging eine statistische Analyse der am Markt verfügbaren Cobots voraus. Aus ihr ging hervor, dass die zahlreichen Massenparameter des MKS mit dem Gesamtgewicht und maximalen Drehmomenten der Achsen korrelieren.

Der Autor: Dr. Roland Behrens ist Gruppenleiter INS (Modellbasierte MRK-Integration und Sicherheit) beim Fraunhofer IFF, Abteilung Robotersysteme, in Magdeburg.

© Fraunhofer IFF

Vor jeder Simulation reduziert der Cobot-Planer das komplexe MKS-Modell auf ein hinreichend genaues Ersatzmodell. Dank der Reduktion verkürzt sich die sonst sehr hohe Simulationszeit, wobei die Aussagegenauigkeit erhalten bleibt. Weitere Teile des Modells geben den Einfluss der Robotersteuerung wieder. Da sich die Steuerungen der einzelnen Roboterhersteller stark unterscheiden, beschränkt sich das Modell auf grundlegende Steuerungsprinzipien, beispielsweise die von Sicherheitsfunktionen. Grundsätzlich kann der Cobot-Planer auch Robotermodelle verarbeiten, deren Beschreibung alle notwendigen Daten und die genauen Steuerungsalgorithmen enthalten.

Das biomechanische Modell des Menschen beruht auf Daten und Erkenntnissen aus zahlreichen und weltweit einmaligen Probandenstudien, die das Fraunhofer IFF im Auftrag der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) und der BGHM von 2015 bis 2019 durchführte. Im Cobot-Planer berechnet das Menschmodell für jede ausgewählte Körperstelle eine separate Kraft-Deformations-Kennlinie, wie sie sich bei einer Kollision an der Kontaktstelle einstellen würde. Jede Kennlinie bildet dann in der Simulation das biomechanische Verhalten der zugehörigen Körperstelle präzise nach. Der Cobot-Planer simuliert mit dem Robotermodell und den Kennlinien die Kollision für jede ausgewählte Körperstelle separat. Anschließend gibt er die niedrigste Geschwindigkeit, die sich für die am höchsten beanspruchte Körperstelle ergab, an den Nutzer zurück.

Die Simulationsergebnisse des Cobot-Planer hat das Fraunhofer IFF zusammen mit Ärzten der Klinik für Unfallchirurgie der Otto-von-Guericke-Universität experimentell validiert. In den Versuchen wurden Probanden durch einen repräsentativen Cobot mit leichten Stößen belastet. Sobald der Proband ab einer bestimmten Kollisionsgeschwindigkeit ein leichtes Schmerzgefühl verspürte, wurde der laufende Versuch beendet. Die Versuche fanden unter Einbeziehung der zuständigen Ethikkommission und in Begleitung von Ärzten statt. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die experimentell ermittelten Geschwindigkeiten innerhalb der üblichen Varianz um die Geschwindigkeiten streuten, die der Cobot-Planer aus der Simulation bestimmte.

Die weitere Entwicklung

Die Technologie des Cobot-Planer geht aus den Vorarbeiten des Fraunhofer IFF zum Forschungsschwerpunkt Computer-Aided-Safety hervor. In diesem Themenbereich befasst sich das Fraunhofer IFF seit 2017 mit praxisnahen und teilautomatisierten Methoden für die zuverlässige Planung von MRK-Applikationen. Für die Sicherheitsbetriebsarten Leistungs- und Kraftbegrenzung sowie Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung (nach DIN 10218-2 und ISO/TS 15066) verfügt das Fraunhofer IFF bereits über marktreife Softwarelösungen, die sich mühelos in bestehende Software für die Planung von Roboter-Applikationen integrieren lassen. Aktuell arbeitet das Fraunhofer IFF an der weiteren Validierung der Technologie, die im Cobot-Planer zum Einsatz kommt. Das mittelfristige Ziel der Arbeiten ist die Etablierung einer zuverlässigen und vollständig digitalisierten Alternative zur Kollisionsmessung.