Roboter in der industriellen Fertigung Sicherheit auch ohne Schutzzaun

Sichtbare Linien kennzeichnen den Schutzraum. Betritt eine Person diesen Bereich, unterbricht der Roboter seine Arbeit, und Warnsignale erfolgen.
Sichtbare Linien kennzeichnen den Schutzraum. Betritt eine Person diesen Bereich, unterbricht der Roboter seine Arbeit, und Warnsignale erfolgen.

Für die industrielle Fertigung wurden jüngst einige Techniken vorgestellt, die ein gefahrloses »Teamwork« von Mensch und Roboter ermöglichen sollen. Fraunhofer-Forscher haben jetzt nachgelegt und eine neuartige Lösung zur flexiblen Arbeitsraumüberwachung entwickelt, die auf einem Zusammenwirken von Kameras und Projektoren beruht.

Vorsichtig hebt und positioniert der Roboter ein schweres Bauteil, während ein Mitarbeiter direkt daneben leichte Aluminiumwerkstücke an eine Maschine anschweißt. Solche Szenarien könnten schon bald zum Arbeitsalltag gehören. Vor allem bei Montagetätigkeiten sollen sich Mensch und Roboter künftig ergänzen und ihre speziellen Fähigkeiten für die Zusammenarbeit nutzen: Der stählerne Assistent könnte seine Kraft, Ausdauer und Geschwindigkeit ausspielen, der Mensch seine Fingerfertigkeit und sein motorisches Geschick.

Derzeit sind die automatischen Helfer jedoch meist von Schutzzäunen umgeben. Die Arbeitsschutzvorschriften erlauben den Kontakt zwischen Personen und Robotern nur unter bestimmten Bedingungen - zu groß ist die Gefahr, dass sich Menschen verletzen. Um die Zusammenarbeit dennoch zu ermöglichen, wurden berührungssensitive Roboterarme wie Festos Bionischer Handling-Assistent (»Rüsselgreifer«) oder der sechsgliedrige Industrie-Knickarmroboter von Universal Robots entwickelt. Ein anderer Ansatz sind Sicherheitssysteme auf Basis beispielsweise von Optosensorik: Sie stoppen den Roboterarm oder verlangsamen ihn, wenn ein Mensch in seinen Arbeitsbereich gerät.

Eine neuartige Lösung zur flexiblen Arbeitsraumüberwachung haben jetzt Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt »ViERforES« entwickelt. Bei der Sicherheitslösung kommen herkömmliche Projektoren und Kameras zum Einsatz, die in der Regel an der Decke angebracht werden. Die Besonderheit des Systems: Die zu überwachenden Schutzzonen werden direkt auf den Fußboden oder auch an die Wand projiziert, wobei die Projektionsstrahlen sichtbare Linien in den Arbeitsraum zeichnen. Menschen erkennen das Schutzfeld folglich sofort und wissen, wie weit sie sich dem Roboter nähern dürfen. Wenn eine Person dennoch den Sicherheitsbereich betritt, werden die projizierten Linien unterbrochen - die Kamera erkennt dies umgehend, und der Roboter bremst sogleich. Zudem lassen sich optische und akustische Warnsignale erzeugen.

Eine weitere Besonderheit: Die markierten Bereiche können in ihrer Lage und Größe variieren und beliebige Formen annehmen - etwa einen Kreis, ein Rechteck oder variable Freiformen. »Wir verwenden übliche Standardkomponenten, so dass sich unsere Lösung kostengünstig installieren lässt«, erläutert Dr. Norbert Elkmann, Geschäftsfeldleiter am IFF. »Beamer und Kamera sind zueinander kalibriert und synchronisiert. Soll eine größere Fläche überwacht werden, ist das System um zusätzliche Projektoren und Kameras erweiterbar.«

Das Überwachungssystem arbeitet mit moduliertem Licht. »Dies hat den Vorteil, dass es auch bei Fremdlichteinflüssen wie Sonneneinstrahlung und Schatten zuverlässig einsetzbar ist«, verdeutlicht Elkmann. »Bisherige rein kameragestützte Systeme zur Raumüberwachung arbeiten nur bedingt fremdlicht-unabhängig.« Die Experten können das System darüber hinaus mit Robotersteuerungen koppeln und so das Warn- oder Schutzfeld dynamisch anpassen. Arbeitet der Roboter zum Beispiel zeitweise nur im linken Bereich seines Arbeitsraums, muss nicht der maximale Roboterarbeitsraum gesichert werden.

Elkmann und sein Team haben ihr Verfahren zum Patent angemeldet. Ein Prototyp ist bereits vorhanden. Die Anwendungsmöglichkeiten des projektions- und kameragestützten Systems beschränken sich nicht nur auf die sichere Mensch-Roboter-Interaktion. Andere sicherheitsrelevante Bereiche wie öffentliche Gebäude lassen sich damit ebenfalls überwachen. Einsetzbar ist das System auch dort, wo die Schutzzonen nicht zu erkennen sein sollen - mittels Projektion von nicht sichtbarem Licht.