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Mensch-Roboter-Kooperation: Was hinter dem Forschungsprojekt EsIMiP steckt

Wie lässt sich eine gleichermaßen sichere und effiziente Zusammenarbeit von Mensch und Roboter realisieren? Dieser Frage gingen die Partner des Forschungsprojektes 'EsIMiP' nach.

TUM, Zusammenarbeit Mensch und Roboter, T Bildquelle: © Technische Universität München

Zur Erfüllung der strengen Sicherheitsvorschriften wird heute im Umfeld der Robotik in der Regel auf die strikte Trennung durch eine Barriere wie beispielsweise einen Zaun oder ein Lichtgitter zurückgegriffen. Für eine „echte“ Mensch-Roboter-Kollaboration ist dies jedoch hinderlich. Künftige Ansätze zielen daher darauf ab, diese störenden Barrieren zu eliminieren. Neben dem sicheren Stopp beim Zutritt zum Kollaborationsraum lassen sich in diesem Zusammenhang für bestimmte Anwendungsfälle Maßnahmen wie eine sichere Begrenzung der Kraft oder eine sicher reduzierte Geschwindigkeit nutzen. Die Geschwindigkeitsreduktion wird dabei über die sichere Überwachung des Abstandes und die Überführung in eine maximal zulässige Geschwindigkeit bewirkt.

Parallel zu den Sicherheitsmaßnahmen an sich ist im Sinne einer nutzbringenden Zusammenarbeit von Mensch und Roboter allerdings auch das Thema Effizienz zu betrachten. Immerhin führt jede Anforderung einer Sicherheitsfunktion, welche beispielsweise einen Not-Halt zur Folge hat, prinzipiell zu einer Minderung der Verfügbarkeit und verursacht in der Konsequenz Kosten. Um also die Akzeptanz für derartige Lösungen seitens des Anwenders zu erhalten, müssen die sicherheitsgerichteten Maßnahmen im Hinblick auf Effizienz-Maximierung entwickelt werden. Genau dies haben sich die Partner des Forschungsprojektes „Effiziente und sichere Interaktion von Menschen und intelligenten Produktionsanlagen“ – kurz EsIMiP – zum Ziel gesetzt. Im Vordergrund dieses von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Vorhabens steht als Applikation die Risikominimierung durch Kollisionsvermeidung bei herkömmlichen Knickarmrobotern.

TUM, Architektur nach EsIMiP, Bild1 neu Bildquelle: © Technische Universität München

Bild 1: Vereinfachte Sicht auf die Architektur nach EsIMiP

Eine vereinfachte Sicht auf die von den Projektbeteiligten entworfene und implementierte Systemarchitektur ist in Bild 1 ersichtlich. Die technischen Maßnahmen sind dabei in zwei Komponenten hinsichtlich Effizienz und Sicherheit untergliedert: in die „Strategische Automatisierungskomponente“ (SAK) und die „Operative Automatisierungskomponente“ (OAK).

Mit der strategischen Automatisierungskomponente werden die Bewegungen des Roboters durch ein intelligentes System in Abhängigkeit von den aktuellen Bedingungen beziehungsweise über die Vorhersage und Optimierung der Bahntrajektorie gesteuert. In die Berechnung fließen sowohl ergonomische Kennwerte als auch ein ermitteltes Umgebungsmodell mit ein.

Die operative Automatisierungskomponente hingegen überwacht durch geeignete Sensorik die Umgebung aller Sensorachsen und reduziert die Geschwindigkeit sicher in Abhängigkeit der ermittelten Distanz. Durch ihre Eigenständigkeit gewährleistet die OAK, dass bei einer technischen Änderung an der SAK kein neuer Sicherheitsnachweis erbracht werden muss. So ist der Mitarbeiter während des Zusammenwirkens mit der Maschine ständig geschützt.