Roboter – sichere Helfer des Menschen

Forschung und Entwicklung im Geschäftsfeld Robotersysteme

Kollisionsuntersuchungen in der Mensch-Roboter-Kooperation

© Fraunhofer IFF

Untersuchung von klemmenden bzw. freien Kollisionen bei der Mensch-Roboter-Kollaboration mit Probanden

Die Mensch-Roboter-Kollaboration ermöglicht die direkte Zusammenarbeit von Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Arbeitsraum. Neben wirtschaftlichen Aspekten bieten solche Arbeitsplätze auch ergonomische Vorteile für den Menschen. Allerdings darf der Mensch während der Zusammenarbeit mit einem kollaborierenden Roboters keinem Verletzungsrisiko ausgesetzt sein. Daher ist eine Risikobewertung erforderlich, in der vorrangig die Gefahren für den Menschen untersucht werden, die z.B. von einer Kollision mit dem Roboter ausgehen.

Zu unterscheiden ist eine klemmende Kollision, bei der der Mensch durch den Stoß eingeklemmt wird, und eine freie Kollision, bei der der Menschen frei im Raum steht und nicht eingeklemmt wird. Wenn durch die konstruktive Gestaltung eines kollaborierenden Arbeitsplatzes klemmende Kollisionen vermieden sind, ist die Kenntnis der Maximalkräfte für den freien Kollisionsfall notwendig. Allerdings können heute nur klemmende Kollisionen zuverlässig gemessen werden.

Das Fraunhofer IFF hat im Auftrag des Instituts für Arbeitsschutz (IFA) eine Studie durchgeführt mit dem Ziel eine Umrechnungsfunktion zu entwickeln, die gemessene Maximalkräfte einer klemmenden Kollision auf die Maximalkräfte einer freien Kollision umrechnet. Die Umrechnungsfunktion wurde auf Grundlage eines Stoßmodells berechnet und anschließend durch Kollisionsversuche mit Probanden parametriert. Hierfür hat das Fraunhofer IFF eine Versuchseinrichtung mit einem Pendel entwickelt, die Kollisionsversuche mit Probanden erlaubt. Die zuständige Ethik-Kommission hat für die Untersuchungen ihr zustimmendes Votum erteilt.

Das berechnete Stoßmodell zeigte, dass es für die Parametrierung der Umrechnungsfunktion erforderlich ist mit unterschiedlich hohen Stoßenergien zu arbeiten. Daher mussten für die Kollisionsversuche sowohl die Pendelmasse als auch die Kollisionsgeschwindigkeit über die Pendelauslenkung variiert werden.

Jeder der ausgewählten Körperbereiche wurde sowohl für den klemmenden als auch den freien Kollisionsfall untersucht. Insgesamt wurden 19.000 Einzelmessungen durchgeführt, deren Auswertung zeigte, dass das verwendete Stoßmodell den Zusammenhang der Maximalkräfte für beide Kollisionsfälle exzellent abbildet.