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Robotik Neue Sicherheitstechnik macht Industrieroboter zu Cobots

Redakteur: Jan Vollmuth

Schwerlast-Roboter waren bisher immer in getrennten Arbeitsbereichen untergebracht, um die Mitarbeiter in Fabriken nicht zu gefährden. Forscher des Fraunhofer IWU wollen das einem ausgeklügelten Sicherheitskonzept und intelligenter Robotersteuerung ändern.

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Gute Zusammenarbeit: Der Roboter übergibt dem Menschen ein Bauteil.
Gute Zusammenarbeit: Der Roboter übergibt dem Menschen ein Bauteil.
(Bild: Foto Fraunhofer IWU)

Schwerlast-Roboter in der Fertigung könnten dem Menschen gefährlich werden. Sie sind mühelos in der Lage, 200 kg schwere Bauteile zu heben, schnell herumzuschwenken oder sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu zwei Metern pro Sekunde zu bewegen. Um jede Gefahr für die Mitarbeiter auszuschließen, erledigen die stählernen Kollegen ihre Aufgaben bisher immer abgetrennt in eigenen Bereichen. Wesentlich effizienter wäre die Zusammenarbeit Mensch-Roboter ohne räumliche Trennung und Schutzzaun. Doch wie gewährleistet man die Sicherheit? Genau dafür will das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU jetzt eine Lösung gefunden haben, die auf der Hannover Messe 2017 gezeigt werden soll.

Differenziertes Sicherheitskonzept

Die Fraunhofer-Experten haben ein differenziertes Sicherheitskonzept entwickelt. Dabei würden zunächst unterschiedliche Stufen der Zusammenarbeit definiert, so die Forscher: Je intensiver Mensch und Maschine zusammenarbeiten, desto höher sei die Stufe und desto strenger seien die Sicherheitsregeln. Würde ein Roboter dem Menschen beispielsweise ein Bauteil überreichen, bewege er sich so langsam und vorsichtig, wie dies für diese Stufe festgelegt sei. Führten aber Mensch und Roboter verschiedene Aufgaben aus und würden Abstand voneinander halten, dürfe Kollege Roboter sich mit voller Geschwindigkeit bewegen. Insgesamt hätten die Fraunhofer-Forscher vier Stufen der Zusammenarbeit definiert.

Ergänzt würden diese Stufen durch eine Einteilung des gemeinsamen Arbeitsbereichs in räumliche Zonen, so die Forscher. Diese Zonen sollen angeben, wie nahe Mensch und Roboter sich kommen. Die niedrigste Stufe unterscheide nur zwei Zonen: eine grüne und eine rote. Halte sich der Mitarbeiter vom Roboter fern, zeige das System eine grüne Zone an, der Roboter kann in vollem Tempo loslegen. Nähere sich der Mensch, werde die rote Zone aktiviert, der Roboter stoppe sofort. Würden Mensch und Roboter sich treffen, etwa um Bauteile oder Werkzeuge zu tauschen, komme zur grünen und roten noch eine gelbe Zone hinzu, die den Kooperationsbereich markiere. Hier bewege sich der Schwerlast-Roboter vorsichtig und mit niedriger Geschwindigkeit.

Kameras, Sensoren und intelligente Algorithmen

Damit der Roboter richtig reagieren kann, müsse er jederzeit die Position und die Laufwege des Mitarbeiters kennen. Diese könne er mithilfe mehrerer Kameras „sehen“: Zwei Kameras seien dazu oberhalb des Arbeitsbereichs angebracht. Sie sollen den gesamten Arbeitsraum im Blick haben und den aktuellen Standort des Menschen zeigen. Eine weitere Kamera sitze auf dem „Kopf“ des Roboters und erfasse den Nahbereich. So könne er Gesicht oder Hand des Mitarbeiters oder ein Bauteil in dessen Hand erkennen.

Die Kameras werden mit einer Reihe von Sensoren ergänzt, erklären die Forscher. Diese Sensoren sollen Parameter wie Position, Beschleunigung und Kraft des Roboters sowie die Position und Bewegung des Menschen registrieren, um Kollisionen zu vermeiden. Die vom Fraunhofer IWU entwickelten intelligenten Algorithmen helfen bei der Auswertung all dieser Daten. Sie sollen dafür sorgen, dass das Verhalten des Roboters und alle Sicherheitsregeln abhängig von der jeweiligen Aufgabe und Situation laufend angepasst werden .

Im Labor erfolgreich getestet

„Unser System ist im Labor bereits voll funktionsfähig und getestet. Ziel ist es, noch in diesem Jahr eine Anwendung von der Berufsgenossenschaft prüfen zu lassen und so den Einsatz in der Industrie zu ermöglichen“, sagt Professor Matthias Putz, Institutsleiter des Fraunhofer IWU.

Testen lässt sich diese Technik heute schon in der virtuellen Realität, mit einer VR-Brille. Der Nutzer kann dabei Teamwork mit der Maschine virtuell erleben. Im VR-Modus läuft das System bereits in voller Geschwindigkeit. „Die VR-Technik ist somit eine exzellente Möglichkeit, die Interaktion mit dem Roboter realistisch zu testen“, sagt Professor Putz. In naher Zukunft wollen die Fraunhofer-Experten das System weiter verfeinern. „Künftig soll es in der Lage sein, sich auf das Verhalten des Mitarbeiters einzustellen, indem es dessen Bewegungen analysiert“, erklärt Putz. „Zudem arbeiten wir an einer Gestenerkennung. Damit könnte der Mensch seinen stählernen Kollegen mit Handbewegungen steuern. Beispielsweise, indem er ihn durch eine Geste anweist, ihm ein bestimmtes Werkzeug zu reichen.“ (jv)

Hannover Messe 2017: Halle 17, Stand C18

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