Mensch-Roboter-Kollaboration Ein sichere Mensch-Roboter-Kollaboration schneller planen

Redakteur: Jan Vollmuth

Die webbasierte Planungshilfe Cobot-Planer des Fraunhofer IFF unterstützt Anwenderinnen und Anwender bei der effizienten Auslegung eines sicheren Mensch-Roboter-Arbeitsplatzes.

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Präzise Modelle von Mensch und Roboter bilden die Grundlage des Cobot-Planers des Fraunhofer IFF, der die Planung eines sicheren Mensch-Cobot-Arbeitsplatzes unterstützt.
Präzise Modelle von Mensch und Roboter bilden die Grundlage des Cobot-Planers des Fraunhofer IFF, der die Planung eines sicheren Mensch-Cobot-Arbeitsplatzes unterstützt.
(Bild: Fraunhofer IFF)

Eine bislang aufwendige Angelegenheit: Für kollaborative Roboter – also Roboter, die ohne zusätzliche Sicherheitssensoren wie Laser-Scanner Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten – war es in der Vergangenheit nur mithilfe einer messtechnischen Risikobewertung möglich, die Geschwindigkeiten eines Roboters zu bestimmen, die maximal erreicht werden dürfen. Hierbei wird mit einem Kraft- und Druckmessgerät geprüft, ob der Roboter bei einer Kollision mit dem Menschen die biomechanischen Grenzwerte aus ISO/TS 15066 einhält.

Geschwindigkeit gezielt regulieren

Überschreitet der Roboter diese Grenzwerte, ist es notwendig, seine Geschwindigkeit zu reduzieren. Ein solcher Schritt ist in der Regel unerwünscht, da er die Taktzeit des Robotersystems erhöht und dessen Wirtschaftlichkeit reduziert.

Der große Nachteil der bisherigen Vorgehensweise bei der messtechnischen Risikobewertung: Dafür muss das Robotersystem vollständig aufgebaut und programmiert worden sein.

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Interaktive Planungshilfe im Netz

Im Forschungsprojekt „Digitale Gefahrenprävention für kollaborative Roboterarbeitsplätze mithilfe einer webbasierten Planungshilfe“ (kurz: Cobot-Planer) hat das Fraunhofer IFF nun im Auftrag der Berufsgenossenschaft Holz und Metall (BGHM) eine webbasierte Planungshilfe entwickelt, die Anwenderinnen und Anwender bei der sicheren und effizienten Auslegung ihrer kollaborativen Roboter unterstützt und somit zu einem verbesserten Arbeitsschutz beiträgt.

Der Cobot-Planer zeigt dem Roboter-Programmierer beziehungsweise der -Programmiererin auf, bei welchen Geschwindigkeiten ein sicherer Betrieb einer Mensch-Roboter-Kollaboration möglich ist; vor allem dann, wenn sich Mensch und Roboter berühren können.

Projektleiter Dr. Roland Behrens, Fraunhofer IFF

„Werden Systeme im Betrieb womöglich nicht den Erfordernissen angepasst , stellt dies ein ernstzunehmendes Risiko für die Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten dar“, sagt Dr. Matthias Umbreit von der BGHM in Mainz, der das Forschungsprojekt zum Cobot-Planer initiierte. Der Cobot-Planer soll dieses Risiko vermeiden und dabei unterstützen, die Mensch-Roboter-Kollaborationen (MRK) sicher und gesund zu gestalten – und das schon in der Planungsphase.

Nicht nur für Betreiberinnen und Betreiber von Arbeitsplätzen mit MRK könne die Applikation nützlich sein, sagt Erik Sebastian, der das Projekt seitens der BGHM leitete: „Auch Fachkräfte für Arbeitssicherheit können sie beispielsweise zur Gefährdungsbeurteilung nutzen.“

In drei Schritten zum sicheren Robotersystem

Über die intuitive Benutzeroberfläche des Cobot-Planers, der über jeden aktuellen Internet-Browser nutzbar ist, beschreiben Nutzerinnen und Nutzer in nur drei Schritten ihre Robotersysteme und die bestehenden Kollisionsgefahren. Anschließend simuliert der Cobot-Planer die Gefahrensituationen und ermittelt aus den Ergebnissen die maximal zulässigen Geschwindigkeiten, bei denen der Roboter die Grenzwerte aus ISO/TS 15066 noch einhält

Da es sich bei den Eingabedaten der Anwenderinnen und Anwender durchaus um sensible Informationen handeln kann, sorgt eine strenge Richtlinie dafür, dass der Cobot-Planer Daten nicht dauerhaft speichert. Nutzerinnen und Nutzer können aber auf Wunsch alle Eingabedaten herunterladen und zu einem späteren Zeitpunkt wiederverwenden.

Der Cobot-Planer ist ein wichtiger Meilenstein, den Engineering-Aufwand bei der Umsetzung zukünftiger MRK-Applikationen deutlich zu reduzieren.

Prof. Norbert Elkmann, Geschäftsfeldleiter Robotersysteme am Fraunhofer IFF

Die technologische Grundlage des Cobot-Planers bilden verschiedene Modelle, die die Wirkung eines Kontaktes zwischen Mensch und Roboter präzise nachbilden. Bisher bekannte Modelle waren sehr ungenau. Zu den für den Cobot-Planer verwendeten Modellen zählen ein Gefährdungs- und ein Robotermodell sowie ein biomechanisches Modell des Menschen. Dank des parameterbasierten Robotermodells ist es grundsätzlich möglich, jeden für einen kollaborativen Betrieb geeigneten Robotertyp im Cobot-Planer zu verwenden.

Umfangreiche Studien als Basis

Das biomechanische Modell des Menschen geht zurück auf die Ergebnisse der Probandenstudien des Fraunhofer IFF, die es weltweit einmalig und im Auftrag der DGUV und BGHM zur Ermittlung biomechanischer Grenzwerte durchführte. Die Simulationsergebnisse des Cobot-Planers hat das Fraunhofer IFF zusammen mit Ärzten der Klinik für Unfallchirurgie der Otto-von-Guericke-Universität und unter Einbindung der zuständigen Ethikkommission experimentell in Belastungsversuchen mit Probanden validiert.

Der Cobot-Planer ist als interaktive Web-Anwendung konzipiert, die den Versicherten in den Betrieben und allen weiteren Interessenten, die einen MRK-Arbeitsplatz planen, jetzt kostenfrei zur Verfügung steht.

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