Forschungsschwerpunkt

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

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

Sicherheitszonen: Das Display zeigt die verschiedenen Zonen an. In der gelben Zone kooperieren Roboter und Mensch miteinander, hier bewegt sich der Roboter wesentlich langsamer.
© Fraunhofer IWU

Sicherheitszonen: Das Display zeigt die verschiedenen Zonen an. In der gelben Zone kooperieren Roboter und Mensch miteinander, hier bewegt sich der Roboter wesentlich langsamer.

Gute Zusammenarbeit: Der Roboter übergibt dem Menschen ein Bauteil.
© Fraunhofer IWU

Gute Zusammenarbeit: Der Roboter übergibt dem Menschen ein Bauteil.

Schwerlast-Roboter in der Fertigung könnten dem Menschen gefährlich werden. Sie sind mühelos in der Lage, 200 Kilo 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 hat das Fraunhofer IWU eine Lösung entwickelt - ein differenziertes Sicherheitskonzept.

Dabei werden zunächst unterschiedliche Stufen der Zusammenarbeit definiert. Je intensiver Mensch und Maschine zusammenarbeiten, desto höher die Stufe und desto strenger die Sicherheitsregeln. Wenn er dem Menschen beispielsweise ein Bauteil überreicht, bewegt er sich so langsam und vorsichtig, wie dies für diese Stufe festgelegt ist. Wenn Mensch und Roboter verschiedene Aufgaben ausführen und Abstand voneinander halten, darf Kollege Roboter sich mit voller Geschwindigkeit bewegen. Insgesamt haben die Fraunhofer-Forscher vier Stufen der Zusammenarbeit definiert.

Ergänzt werden die Stufen durch eine Einteilung des gemeinsamen Arbeitsbereichs in räumliche Zonen. Sie geben an, wie nahe Mensch und Roboter sich kommen. In der niedrigsten Stufe gibt es nur zwei Zonen, eine grüne und eine rote. Hält der Mitarbeiter sich entfernt vom Roboter, wird hierfür eine grüne Zone angezeigt, der Roboter kann in vollem Tempo loslegen. Nähert sich der Mensch, dann wird die rote Zone aktiviert, der Roboter stoppt sofort. Wenn Mensch und Roboter sich treffen, etwa um Bauteile oder Werkzeuge zu tauschen, kommt zur grünen und roten noch eine gelbe Zone hinzu. Diese markiert den Kooperationsbereich. Jetzt bewegt sich der Schwerlast-Roboter vorsichtig und mit niedriger Geschwindigkeit.

Kameras, Sensoren und intelligente Algorithmen

Damit der Roboter richtig reagieren kann, muss er jederzeit die Position und die Laufwege des Mitarbeiters kennen. Diese kann er mithilfe mehrerer Kameras »sehen«. Zwei Kameras sind oberhalb des Arbeitsbereichs angebracht. Sie haben den gesamten Arbeitsraum im Blick und zeigen den aktuellen Standort des Menschen. Eine weitere Kamera sitzt auf dem »Kopf« des Roboters und erfasst den Nahbereich. So kann er Gesicht oder Hand des Mitarbeiters oder ein Bauteil in dessen Hand erkennen.

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