Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb Auf dem Weg zu flexiblen und dynamischen Arbeitsumgebungen, in denen Mensch und Roboter kooperieren, hat das Fraunhofer IFF auf Basis von Projektor- und Kameratechnik eine neuartige Technologie entwickelt und patentiert, die neben der Gewährleistung der Sicherheit auch zusätzliche Funktionalitäten wie zum Beispiel Interaktionsmöglichkeiten, 3D-Umgebungserfassung und Werkerassistenz bereitstellt. Selbstüberwachung, Reduzierung des Fremdlichteinflusses auf die Detektionsleistung und deterministische Auswertealgorithmen prädestinieren das System für den Einsatz in Mensch-Roboter Kooperationsszenarien. Die Sichtbarkeit der projizierten Sicherheitsbereiche erhöht zudem die Transparenz für den Nutzer und gleichzeitig die Verfügbarkeit der gesamten Anlage.
Projektions- und kamerabasierte Sicherheitstechnologien zur optischen Arbeitsraumüberwachung
Highlights
- Dynamische Schutzraumgenerierung gemäß „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ (ISO/TS 15066) unter Berücksichtigung der Gelenkstellungen und -geschwindigkeiten
- Minimale Sicherheitsabstände aufgrund geringer Reaktionszeiten (TR< 40 ms) und optimaler Detektionsauflösung (Fingerdetektion, d14mm)
- Maximale Verfügbarkeit durch Fremdlichtunabhängigkeit, robuste Detektion von Objekteindringungen und Sichtbarkeit der Schutzräume
- Umsetzung des Fail-Safe-Funktionsprinzips „Ruhestromprinzip“ zur Erfüllung der funktionalen Sicherheit PL=d, Kat.3
- Werkerunterstützung durch Visualisierung von prozess-, roboter- und sicherheitsspezifischen Informationen sowie interaktiver Schaltflächen zur Bedienung
Innovatives Funktionsprinzip
Die projektions- und kamerabasierte Technologie zur sicheren Arbeitsraumüberwachung und intuitiven Mensch-Roboter-Interaktion nutzt aktuelle Projektor- und Kameratechnik, um Warn- und/ oder Schutzfelder direkt um die gefahrbringende Maschine oder Roboter zu überwachen und das Eindringen des Menschen (Eingriff oder Eintritt) in die Sicherheitsbereiche zuverlässig zu erkennen. Die Sicherheitsbereiche können dabei manuell definiert oder in Abhängigkeit des Prozesses bzw. an die Bewegungen des Roboters dynamisch angepasst werden.
Die vom Fraunhofer IFF patentierte Technologie beruht darauf, dass Sicherheitsbereiche beliebiger Form direkt in die Umgebung projiziert und mit Hilfe der umgebenden Kameras hinsichtlich einer Unterbrechung der Projektionsstrahlen überwacht werden. Unter Berücksichtigung der aktuellen Gelenkstellungen und –geschwindigkeiten eines Roboters können entsprechend der Abstandsformel aus der Norm ISO/TS 15066 Sicherheitsbereiche dynamisch um den Roboter erzeugt werden. Aufgrund minimaler Reaktionszeiten von unter 40ms und einer hohen Detektionsauflösung von Objekten ab 14mm Durchmesser (Fingerauflösung) umhüllen die Schutzräume den Roboter in minimaler Weise, so dass permanent ein Großteil des Arbeitsraumes dem Menschen zur Verfügung steht. Bei bekannter Geometrie der handzuhabenden Werkstücke werden diese in die Bestimmung der Schutzräume einbezogen. Diese Technologie ordnet sich somit in das Sicherheitskonzept „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ der Norm ISO/TS 15066 ein.
Das umgesetzte Fail-Safe Prinzip ermöglicht die Überwachung der einwandfreien Funktionsfähigkeit aller Komponenten (Eigensicherheit) und gewährleistet dadurch die funktionale Sicherheit des Systems. Durch Aussendung codierter Lichtstrahlen werden Fremdlichteinflüsse auf ein Minimum reduziert und die Verfügbarkeit dieser Sicherheitslösung maximiert.
Interaktion, Werkerassistenz und 3D-Umgebungserfassung
Neben dem Aspekt der Sicherheit bietet diese Technologie weitere Funktionalitäten, um den Menschen bei seinen Tätigkeiten zu assistieren, die Interaktion zwischen Mensch und Roboter zu ermöglichen sowie prozessrelevante Informationen bereit zu stellen.
Virtuelle Schaltflächen
Die projektions- und kamerabasierte Technologie bietet die Möglichkeit durch interaktive Schaltflächen mit dem System, dem Roboter bzw. der Anlage zu kommunizieren. Auf Basis dessen können zum Beispiel verschiedene Prozesse ausgewählt, Abläufe gesteuert und Roboterprogramme gestartet bzw. beendet werden. Die virtuellen Schaltflächen können dynamisch, z.B. in Abhängigkeit des aktuellen Arbeitsschrittes, direkt in der Nähe des Menschen eingeblendet werden. Darüber hinaus können auch detektierte Sicherheitsbereichsverletzungen vor einem Wiederanlauf der Anlage durch Aktivierung einer 2-händigen virtuellen Interaktionsfläche bestätigt werden.
Werkerunterstützung
Die Visualisierung von prozess-, roboter- und sicherheits-relevanten Informationen stellt einen weiteren wesentlichen Aspekt im Bereich der Mensch-Roboter Kooperation dar. Dadurch kann dem Menschen permanent der aktuelle Zustand der Anlage, des Roboters und des Prozesses übermittelt und bei Bedarf frühzeitig darauf reagiert werden. Außerdem können geeignete, den Werker unterstützende Einblendungen, wie zum Beispiel textuelle Arbeitsanweisungen, Schemata oder Piktogramme den Menschen bei seiner Arbeit assistieren. Die projektions- und kamerabasierte Technologie ermöglicht die perspektivisch korrekte und dynamische Einblendung von Informationen im Arbeitsraum auf Fußböden, Arbeitstischen oder auch direkt auf Werkstücken.
3D-Umgebungserfassung
Projektor- und Kameratechnik erlauben zudem eine 2 ½-dimensionale Erfassung des Arbeitsbereiches, wodurch das System weiterhin zum Beispiel für die Erkennung von Objekten oder für die kollisionsfreie Bahnplanung genutzt werden kann.