Die Sicherheit in der Mensch-Roboter-Kooperation ist seit vielen Jahren ein wesentlicher Bestandteil der Forschung und Entwicklung sowohl im industriellen als auch im akademischen Umfeld. Neben den klassischen Roboteranwendungen in der industriellen Produktion ist ein stetig steigender Bedarf an Assistenzrobotern zu verzeichnen, die ohne Schutzzäune mit dem Menschen zusammenarbeiten. Ursächlich hierfür sind nicht nur wirtschaftliche Aspekte wie Effizienzerhöhung und Kostenoptimierung, sondern in erheblichem Maße auch der demografische Wandel, der in Zukunft für einen immensen Fachkräftemangel sowie eine im Durchschnitt immer ältere Belegschaft in Deutschland sorgen wird.

Arbeitsraumüberwachung mit einem neuartigen projektions- und kamerabasierten Sensorsystems: Das Konzept wird aktuell an beispielhaften Einsatz-Szenarios unter realen Bedingungen getestet und verifiziert.

© Fraunhofer IFF

Ein wesentlicher Eckpfeiler für eine barrierefreie Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ist für viele Anwendungen die sichere Arbeitsraumüberwachung. Optische Sensoren kommen hierbei systemimmanent an ihre Grenzen sofern die Fremdlichteinflüsse stark variieren – etwa bei Sonneneinstrahlung oder Schattenbildung. Das Fraunhofer IFF hat aus dieser Motiva­tion heraus ein neuartiges optisches Arbeitsraumüberwachungssystem entwickelt, das auf einer Kombination von Projektor- und Kameratechnik basiert. Ziel dabei war es, zertifizierbare Technik (Hard-Safety) umzusetzen und ergonomische Fragestellungen (Soft-Safe­ty) in Form eines für den Menschen sichtbaren Warn- und Schutzfeldes zu erfüllen, die Interaktion des Menschen mit dem Roboter zu unterstützen und weitestgehend unabhängig gegenüber Fremdlichteinflüssen zu sein.

Das zum Patent angemeldete Sensorsystem detektiert Objekte und Menschen, die in den Arbeitsraum des Roboters eindringen. Bei einer Verletzung des Arbeitsraumes wird die Roboter­geschwindigkeit je nach Applikation beziehungsweise Gefährdungspotenzial reduziert oder der Roboter wird gestoppt. Durch eine Kopplung mit der Robotersteuerung lassen sich auf Basis der aktuellen Gelenkstellungen und -geschwindigkeiten des Roboters dynamische Sicherheitsbereiche generieren, die den Roboter optimal umschließen und somit dem Menschen einen maximalen Bewegungsfreiraum neben dem Roboter ermöglichen.

Verletzungen dieser Sicherheitsbereiche durch eine Unterbrechung der Projektionsstrahlen beziehungsweise -fläche werden von den Kameras zuverlässig detektiert. Für den Nutzer sind somit jederzeit sowohl aktive Sicherheitsbereiche als auch deren mögliche Verletzungen direkt sichtbar. Mit anderen Worten: Der Nutzer weiß exakt, wie weit er sich dem Roboter nähern darf, ohne einen Stopp des Roboters auszulösen. Durch zusätzliche Einblendungen, welche beispielsweise auf aktuelle Roboterzustände oder auf eine bevorstehende Robo­terbewegung hinweisen, kann die Transparenz für den Nutzer noch weiter erhöht werden.

Prinzipiell erlaubt dieses Sensorsystem die Etablierung mehrerer Sicherheitsbereiche, deren Anordnung sowohl nebeneinander als auch ineinander geschachtelt erfolgen kann. Die Definition von Warn- und Schutzbereichen, bei deren Verletzung differenzierte Reaktionen wie etwa eine Reduzierung der Geschwindigkeit oder ein Not-Stopp aus­gelöst werden, ist somit leicht möglich. Jeder Sicherheitsbereich kann darüber hinaus während des Betriebes dynamisch in seiner Größe, Form und Position sowie – im Falle einer Kopplung an die Robotersteuerung – in Abhängigkeit der aktuellen und bevorstehenden Roboterposition und -geschwindigkeit angepasst werden.

Findet eine Unterbrechung der Lichtstrahlen statt, wird dies von den Kameras als eine Sicherheitsbereichsverletzung erkannt. Eine Herausforderung besteht darin, festzustellen, ob die im Kamerabild abgebildeten Lichtstrahlen vollständig sind und an den erwarteten Positionen im Kamerabild liegen. Da die Kameras an die Projektor-Sendefrequenz von zum Beispiel 120 Hz adaptiert sind, nehmen diese abwechselnd Bilder mit und ohne Projektionsstrahlen auf, wodurch eine Extraktion der aktuell projizierten Sicherheitsbereiche erreicht wird. Die Positionen der extrahierten Strahlen werden dann mit einem virtuellen Referenzbild verglichen, welches auf Basis eines Umgebungsmodells sowie der Form, der Position und der Größe des aktuellen Sicherheitsbereiches erstellt wird.

Nur wenn für jede Kamera dieses sogenannte Erwartungsbild mit dem ak­tuellen Bild übereinstimmt, liegt keine Verletzung der Sicherheitsbereiche vor. Im Falle von Dekalibrierungen oder Defekten von Projektoren beziehungsweise Kameras würde eine Abweichung zwischen den Bildern bestehen und folglich ein Verletzungssignal auslösen.

Diese weitgehende Selbstüberwachung stellt ein wesentliches Merkmal für die Eigensicherheit des Systems dar, da nur genau dann kein Verletzungssignal generiert wird, wenn kein Objekt den Sicherheitsbereich verletzt und alle Kameras und Projektoren sowohl einwandfrei funktionieren als auch weiterhin korrekt zueinander ausgerichtet sind.

Diese Technologie unterscheidet sich aufgrund eigener aktiver Beleuchtung und entsprechendem Funktionsprinzip stark von anderen, rein kamerabasierten Systemen. Neben der Gewährleistung der Sicherheit zeichnet sich dieses System durch die Vielseitigkeit an zusätz­lichen Funktionalitäten wie Soft Safety, Interaktionsmöglichkeiten, Werkerassistenz und 3D-Erfassung aus.

Taktile Sensoren zur Kollisionsdetektion

Oft ist eine direkte physische Interak­tion zwischen Mensch und Roboter im gemeinsamen Arbeitsraum notwendig. Eine Berührung beziehungsweise Kollision ist somit nicht vermeidbar oder sogar gewollt. Es darf aber unter keinen Umständen zu Verletzungen des Menschen führen. Hier kommen neuartige taktile Sensoren zum Einsatz, die wie eine künstliche Haut beliebig geformte Roboter komplett umhüllen. Auf diese Weise lassen sich Berührungen sicher detektieren und die Bewegungen des Roboters im Kollisionsfall sicher stoppen. Zusätzliche Polsterelemente dämpfen Kollisionen und gewährleisten ein sicheres Abbremsen durch den zusätz­lichen Nachlaufweg, bevor die harte Roboteroberfläche den beaufschlagten Körperteil berührt.

Leitfähiges Elastomer ist die Basis für ein neuartiges taktiles Sensor­system, welches sich an beliebige Roboteroberflächen und -formen anpassen lässt.

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Das Herzstück des taktilen Sensorsystems des Fraunhofer IFF bildet ein patentierter Messaufnehmer. Die technologische Grundlage des Sensorsystems ist ein leitfähiges Elastomer, das unter Druckbelastung seine Leitfähigkeit ändert. Die einzelnen Sensorzellen können somit als variable, druckabhängige Widerstände angesehen werden. Sie weisen im unbelasteten Zustand einen definierten Wert auf. Abweichungen von diesem Wert sind ein Maß für die wirkende Kraft oder weisen auf eine Fehlfunktion des Sensors hin. Für jede einzelne Sensorzelle wird das Ruhestromprinzip zur Anwendung gebracht. Beschädigungen und Fehlerzustände im Bereich des Messaufnehmers sind auf diese Weise zuverlässig erkennbar. Die so erzielte Eigensicherheit des Sensorsystems bildet eine wichtige Grundlage für den Einsatz des Sensorsystems als Sicherheitssensor.

Eine weitere Besonderheit des Sensorsystems ist die Möglichkeit der In­tegration einer applikationsspezifischen Dämpfungsschicht in den Aufbau des Messaufnehmers. Dabei kann es sich zum Beispiel um weiche, energieabsorbierende Materialien handeln. Diese Funktion erlaubt das Abbremsen eines Roboters, ohne den Kollisionspartner mit hohen Kraftspitzen zu belasten. Entscheidende Faktoren bei der Aus­legung der Dämpfungszonen an dem Roboter sind die Geschwindigkeit, die Geometrie und der Nachlaufweg des Roboters sowie die Reaktionszeit des Sicherheitskreises.

Das Sensorsystem kann darüber hi­naus zur optimalen Anpassung an die Zielapplikation mit speziellen Hüllschichten (wasserdicht, robust etc.) versehen werden. Neben den stoßdämpfenden Eigenschaften können die Form und Größe der einzelnen Sensorzellen sowie deren Kraftmessbereich angepasst werden. Die Größe der einzelnen Sensorzellen ist bis auf rund 3 mm² reduzierbar und liegt somit weit unter der Berührungsfläche eines Fingers. Unabhängig von der Größe der Einzelzellen ist das Sensorsystem in der Lage, Kräfte ab etwa 0,1 N/cm² zu erfassen. Somit ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, die weit über die Anwendung als sensible Haut für Roboter zur Kollisionserkennung hinausgehen wie etwa als haptische Interaktionsschnittstelle.