bot.FELLOWS - Beiträge zur Arbeits-, Maschinen- und Anlagensichereit

Innovative Sicherheitssysteme für Mensch-Maschine-Systeme

Die Zukunft der Produktion ist intelligent - »smart«:

Mensch und Maschine arbeiten Hand in Hand, werden »Kollegen« und arbeiten als hybrides Produktionssystem. Doch Sicherheit und Kontrolle bleiben beim Menschen, dem die Maschine dient. Effizienz braucht Intelligenz und der Mensch braucht die Maschine. Beides braucht Akzeptanz durch Sicherheit, bei hoher Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit.

Gerne geben wir Ihnen hier einen Einblick in Entwicklungsschwerpunkte zur effizienten Umsetzung von Anwendungen auf Basis von Mensch-Roboter-Kollaboration, an denen das Fraunhofer IWU gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Industrie und im Rahmen des CTC Netzwerks arbeitet.


Dynamische 3D-Arbeitsraumüberwachung

Hochflexible und dynamische Produktionsumgebungen erfordern eine Zusammenarbeit von Mensch und Roboter, ohne strikte Trennung. Der Einsatz von Robotern ohne trennende Schutzeinrichtungen birgt enormes wirtschaftliches Potenzial.

Das am Fraunhofer IWU entwickelte System »DynaSafe« ermöglicht eine größtmögliche Flexibilität bei maximaler Sicherheit für eine effiziente Kooperation zwischen Mensch und Roboter. Durch Anbindung des Systems an die Robotersteuerung werden während des Betriebs die kinematischen Parameter des Roboters verarbeitet und die Mindestsicherheitsabstände gemäß der normativen Vorgaben dynamisch berechnet. Parallel dazu wird die Position von Personen und Objekten im Überwachungsraum sicherheitsgerichtet überwacht. Für den Werker wird somit ein freies Arbeiten im gemeinsam genutzten Arbeitsraum mit dem Roboter ermöglicht.

»DynaSafe« zeichnet sich aus durch:

  • dynamische, echtzeitfähige Berechnung und Überwachung von Sicherheitsbereichen (Warn- und Schutzfeldern)
  • Tracking von Betriebsmitteln und Personen im Arbeitsraum inklusive Warnung bei Annäherung
  • flexible Prozess- und Robotersteuerung

Die Vorteile auf einen Blick:

  • Maximierung der Gesamtanlageneffektivität (OEE)
  • Maximierung Maschinenflexibilität
  • Maximierung Maschinenauslastungsgrad
  • Flexible Maschinen- und Anlagen-Verkettung
  • Kosteneffizientes Safety-Engineering

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MRK-Level

Um MRK Prozesse möglichst effizient zu gestalten, hat das Fraunhofer IWU vier unterschiedliche Level der Kooperation zwischen Mensch und Roboter eingeführt. Im Video werden die Charakteristiken der unterschiedlichen Level vorgestellt. Durch die jeweilige Aufgabe wird dabei das benötigte MRK-Level charakterisiert, woraus sich unterschiedliche Anforderungen an Arbeitsbereiche, Sensorik und Roboteraktorik ableiten. Für jeden Anwendungsfall können somit die benötigten hard- und softwareseitigen Komponenten abgeleitet werden, damit Roboter und Menschen sicher und effizient zusammenarbeiten können.


Dynamische Echtzeitbahnanpassung

In diesem Video wird die „Dynamische Bahnkorrektur für MRK-Anwendungen“ dargestellt. Hierbei findet eine Lokalisierung des Werkers im Arbeitsraum mittels 3D-Kamerasensor statt. Auf Grundlage der erfassten Sensorinformationen wird in Echtzeit eine Bahnkorrektur des Roboters ausgeführt. Dafür werden durch dynamische Schutzbereiche auch die auftretenden Nachlaufwege eines Roboters berücksichtigt, um die Sicherheit von Personen zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Durch das fortlaufende Tracking des Werkers werden Stillstandzeiten durch Umfahren des Werkers vermieden und eine dynamische Optimierung von Arbeits- und Schutzbereichen erreicht.


Hybride werker-individuelle Online Bahnanpassung

Die im Video gezeigte „Hybride Online Bahnanpassung“ ermöglicht die situative Übergabe unbekannter Objekte zwischen Mensch und Roboter. Dafür wird der Werker bei Betreten des Arbeitsraums durch Sensoren erfasst. Die Arbeitsraumüberwachung generiert dynamische Schutzzonen um den Roboter, welche sich mit den Roboterbewegungen verschieben.
Für jeden Werker können individuelle Parameter, wie etwa die Arbeitshöhe, eingestellt werden. Nach Autorisierung des Mitarbeiters wird der Prozess gestartet. Die Position der Hand eines Mitarbeiters wird durch Bildverarbeitung bestimmt und die optimale Übergabeposition ermittelt. Eine Übergabe findet bei Aufmerksamkeit des Werkers durch Blickkontakt mit dem Roboter innerhalb der Kooperationszone mit sicherer Arbeitsgeschwindigkeit statt. Um den optimalen Greifpunkt für die Übergabe eines Objektes von Mensch zu Roboter zu ermitteln, findet eine 3D-Erfassung des Bauteils mit gleichzeitiger Detektion möglicher Greifflächen statt. Bei beiden Übergaberichtungen detektiert ein Kraft-Momenten-Sensor über veränderte Haltekräfte die Übergabebereitschaft.


Funksystemlösung für Safety-Anwendungen bei MRK

Obwohl die kabellose Datenübertragung im privaten Bereich längst etabliert ist, kann sie sich bei industriellen Anwendungen kaum behaupten. Durch ein Ersetzen kabelgebundener Systeme können der teilweise enorme Verkabelungsaufwand, sowie die Umfänge für Aufbau, Inbetriebnahme und Wartung, deutlich reduziert werden.

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, industriereife Funktechnik zur zuverlässigen Datenübertragung zu entwickeln. Die der Funktechnik innewohnende Fähigkeit zur Personenverortung wird gezielt genutzt und in das System integriert. Es wird eine deutliche Verbesserung der Flexibilität von MRK-Arbeitsplätzen erwartet, bei gleichzeitigem Sicherheitszuwachs durch Erhöhung der Redundanz. Die Kombination mit bereits bewährten MRK-Anwendungen stellt neue Fertigungskonzepte in Aussicht.

Für MRK-Anwendungen müssen neben der robusten Echtzeit-Datenübertragung auch die Signalverarbeitung und die Reaktionen des Roboters in Echtzeit garantiert werden können. Hierfür wird handhabbare Hardware zum Tragen am Körper entwickelt, durch welche ein zuverlässiger und kabelloser Datenaustausch zwischen Mensch und Roboter stattfinden kann. Weiterer Projektgegenstand ist die Entwicklung eines kabellosen Notausschalters, um die Sicherheit noch weiter zu erhöhen.

Projekt gefördert durch: