Roboter übernehmen in der industriellen Fertigung immer mehr Auf­gaben: Sie schweißen und schrauben Bauteile millimetergenau zusammen, transportieren tonnenschwere Werkstoffe oder verpacken, palettieren und stapeln die fertigen Produkte. Auch ihre Anzahl nimmt stetig zu. Deutschland gehört mittlerweile – zusammenmit Japan und Südkorea – zu den Ländern mit der weltweit höchsten Roboterdichte. Vielfach bedeutet dies aber auch, dass der Platz in den Fabrik­hallen immer enger wird. Oder anders ausgedrückt: Elektronische Arbeitsmaschinen und das zuständige Fachpersonal an Montagebändern und Roboterstraßen kommen sich zunehmend in die Quere. Das größte Gefahrenpotenzial bergen dabei schwer einsehbare Arbeitsbereiche oder tote Winkel.

Vor diesem Hintergrund haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT in Ilmenau gemeinsam mit Thüringer Unternehmen im Verbundprojekt BildRobo des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) die so genannten 4Save-Technologien entwickelt. Die Lösung besteht aus dem Simulations-Tool Sim4Save, der Softwareplattform Link4Save und dem neuen Überwachungssystem Eye4Save des Zentrums für Bild- und Signalverarbeitung Ilmenau (ZBS).

Als Kern des Sicherheitssystems wertet die Softwareplattform Link4Save Signale von angeschlossenen visuellen, akustischen oder taktilen Überwachungssystemen in Echtzeit aus und stoppt die Maschinen bei kritischen Situationen, noch bevor es zu einer Kollision kommt. Denn oft sind es schon kleine Unachtsamkeiten, wie Stolpern, die zu schweren Unfällen mit Robotern führen können. Das System kontrolliert genau, wie sich die einzelnen Maschinen bewegen, und schreitet ein, wenn der Sicherheitsabstand zwischen Mensch und Roboter unterschritten wird. Die Reaktion reicht in Abhängigkeit von Kraft und Geschwindigkeit der arbeitenden Maschine von akustischen Warnsignalen über ein Verlangsamen der Prozesse bis hin zum sofortigen Stopp des Roboters.

Die Software berücksichtigt unter anderem die Daten aus dem neuen visuellen Überwachungssystem Eye4Save. Dieses nutzt die Bilder von synchronisierten Stereokameras, um Objekte in Räumen dreidimensional zu erfassen. In der aktuellen Konfiguration werden vier Stereokamerapaare eingesetzt, die in den Raumecken montiert sind und den Raum aus einer schrägen Aufsicht heraus beobachten.

Auch verdeckte Objekte werden erfasst

Mit Hilfe von Kamerasystemen scannt die Software Link4Save die Produktionshalle und kann bei kritischen Situationen die Roboter sofort stoppen.

© Fraunhofer IDMT

In einem initialen Einmessvorgang werden zunächst die Stereokamerapaare geometrisch und auch bezüglich der Farbe kalibriert. Als Hilfsmittel dient dazu unter anderem ein Miniaturspektrometer.

In Analogie zum menschlichen räumlichen Sehen werden aus jedem der Stereokamerapaare für die jeweilige Perspektive Tiefeninformationen gewonnen. Die Wahrnehmung von Objekten im Raum beruht auf der Analyse dieser Tiefeninformationen in Kombination mit den aufgenommenen Farbwerten. Als Referenz dient ein im Vorfeld für jedes Stereokamerapaar angelerntes distanzbasiertes und farbadaptives Hintergrundmodell. Die aus den verschiedenen Perspektiven erkannten Vordergrund-Objekte werden zusammengeführt und in Form ihrer visuellen Hüllen dreidimensional abgebildet. „Je mehr Kameras ein Objekt sehen, umso mehr nähern sich die Hüllen der tatsächlichen Objektform an“, erklärt Daniel Kapusi vom Zentrum für Bild- und Signalverarbeitung, das mit dem IDMT kooperiert. Und er ergänzt: „Im Zweifelsfall – also dann, wenn eine Kamera ein Objekt nicht komplett sieht, da es durch andere Objekte verdeckt wird – bleibt die Hülle entsprechend groß. Das bedeutet, dass Verdeckungen immer zugunsten der Sicherheit behandelt werden.“

Die optimale Anzahl der Kameras und Sensoren sowie deren ideale Posi­tion und Ausrichtung werden schließlich mit Hilfe des Simulations-Tools Sim4­Save interaktiv ermittelt. Dieses Werkzeug simuliert die Werkhalle dreidimensional und sorgt für eine optimale Ausstattung des gesamten Arbeitsbereichs mit Sicherheitstechnik. „Oft behindern verdeckte Objekte oder zu hohe Entfernungen die Qualität der Kamera-Aufnahmen. Diese Situationen werden bei der Simulation berücksichtigt. Somit gehören mit Sim4Save tote Winkel oder schlecht einsehbare Arbeitsbereiche der Vergangenheit an“, betont Peter Pharow, Leiter der Gruppe „Data Representation and Interfaces“ am IDMT und Mitentwickler der genannten Technologiebausteine.

Einsetzbar sind die 4Save-Technologien sowohl im Verbund als auch einzeln. Während etwa Architekten und Planer neuer Werkhallen Sim4Save als separate Dienstleistung nutzen können, arbeitet die Plattform Link4Save auch ohne die weiteren Elemente der 4Save-Toolbox, nicht aber ohne vorgeschaltete Sensorik. Eye4Save kann an Link4Save gekoppelt, aber auch plattformunabhängig betrieben werden.

Was unterscheidet nun die Fraunhofer-Lösung von bereits existierenden Lösungen im Bereich der sicheren Zusammenarbeit von Mensch und Maschine? Laut Peter Pharow sprechen letztere primär größere Unternehmen an, zum Beispiel aus dem Bereich des Fahrzeugbaus. Was die 4Save-Toolbox auszeichne, sei das Baukastenprinzip. Oder anders ausgedrückt: Auch kleine und mittelständische Unternehmen können die Lösung einsetzen, da sich bereits vorhandene Kameras in das System integrieren lassen. Darüber hinaus sind es eben nicht nur visuelle Überwachungsaspekte, sondern auch akustische und taktile Elemente, welche die 4Save-Toolbox ergänzen und damit zur Multimodalität beitragen.