Sichere Kooperation von Mensch und Industrieroboter

Um ein Robotersystem, das die routinemäßige, direkte Zusammenarbeit von Industrierobotern und Werkern in der Fertigungsumgebung auf sichere Art und Weise ermöglicht geht es bei der Zusammenarbeit der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dominik Henrich (Lehrstuhl für Angewandte Informatik III, Robotik und eingebettete Systeme) und der Firma ABB, das kürzlich in dessen Forschungszentrum Ladenburg vorgstellt wurde.

Hintergrund: In der industriellen Fertigung gibt es einen allgemeinen Trend zu immer größerer Variantenvielfalt bei gleichzeitig sinkenden Serienzahlen und Losgrößen. Das erfordert eine zunehmende Anpassungsfähigkeit von Fertigungseinrichtungen. Da diese Flexibilität bei 100-prozentiger Automatisierung sehr teuer wird, liegt die wirtschaftlichste Lösung häufig im Bereich der teilweisen Automatisierung der Fertigung.

Industrieroboter sind seit etwa 30 Jahren ein wichtiger Baustein in der Automobilfertigung und ihrer Zulieferindustrie, zunehmend auch bei Anwendungen in anderen Industriezweigen. Von der Kommissionierung von Paletten, über das “Pick- and-Place” von Pralinen, Croissants, Fischstäbchen etc. bis hin zur Handhabung von Werkstücken bei der Beschickung von Werkzeugmaschinen, Pressen oder Spritzgussmaschinen.

Da ein sich bewegender Industrieroboter von vornherein erst einmal eine Gefahrenquelle für Menschen darstellt, war bis vor kurzem eine strikte Trennung der Arbeitsbereiche von Robotern und von Menschen in der Fabrik durch Zäune üblich. Das Öffnen der Zugangstür im Zaun hatte dabei ein sofortiges automatisches Abschalten des Roboters zur Folge. Das gemeinsame Ausführen eines Arbeitsschritts zwischen Werker und Roboter war nicht möglich – sie konnten nicht kooperieren. Auch die Forderung nach höherer Flexibilität von Fertigungsanlagen kann mit fest installierten Zäunen nur sehr kostenintensiv erreicht werden.

Durch die Verwendung von sicherheitsgerichteter Sensorik, wie beispielsweise Lichtgittern und Laserscannern wird die Forderung nach mehr Flexibilität zum Teil erfüllt, denn zumindest für einen Teil der Roboterzelle entfällt der Zaun. Im sensorisch abgesicherten Bereich lassen sich Umgestaltungen der Roboterzelle dann einfach durch das Umprogrammieren der Schutzfeldgeometrie der Sensoren erreichen.

Jedes Übertreten des opto-elektronisch aufgespannten Schutzfeldes führt jedoch durch sicherheitsgerichtete Elektronik zu einer sofortigen, automatischen Abschaltung des Roboters. Eine Kooperation ist nach wie vor nicht möglich, da der Roboter in dieser Situation weiterhin als Gefahrenquelle zu sehen ist und sich daher nur in sicherem Abstand vom Menschen bewegen darf.

Durch die neue Funktion SafeMoveTM der Firma ABB wird der Roboter in seiner Bewegung so gesteuert, dass er nicht mehr als Verletzungsquelle gilt. Die Position und die Geschwindigkeit des Roboterarms werden dabei durch eine frei programmierbare Sicherheitssteuerung stetig überwacht und mit vorkonfigurierten Grenzen verglichen. Wenn sich Personen im Arbeitsraum des Roboters aufhalten, dann liegt gemäß der Sicherheitsnorm für Industrieroboter die Geschwindigkeitsbegrenzung bei 250 mm/s, wobei ein so genannter Zustimmungsschalter mitgeführt werden muss. Dadurch können sich Werker und Roboter gleichzeitig im selben Raum aufhalten und gemeinsam Aufgaben ausführen.

Kooperationsaufgaben, die nun möglich werden, sind beispielsweise das manuelle Be- oder Entladen eines Greifers mit Werkstücken oder das Führen des Roboters durch Eingabe über Steuerhebel oder -tasten. Eine Bewegung des Roboters ist bei betätigten Zustimmungsschaltern in Gegenwart des Werkers möglich und beim vorübergehenden Stillstand des Roboters müssen die Achsantriebe nicht mehr ausgeschaltet werden.

Nach einem gemeinsamen Arbeitsschritt zwischen Werker und Roboter kann sich der Roboter in einem folgenden, zum Beispiel vollautomatischen Schritt wieder mit voller Geschwindigkeit bewegen, wenn der Werker den sensorisch überwachten Gefahrenbereich verlassen hat.

Da heutige sicherheitsgerichtete Sensoren das Durchqueren einer Ebene nur zweidimensional registrieren können, lässt sich nicht damit der dreidimensionale Raum der gesamten Zelle bezüglich Personen und Gefährdungssituationen überwachen. Räumlich detektierende Sensoren wie beispielsweise Kamerasysteme werden diese technologische Lücke künftig schließen und im Rahmen von Sicherheitskonzepten in Roboterzellen Anwendung finden. Denn sobald sichere 3D-Sensoren verfügbar sind, kann eine ganz neue Klasse von Applikationen erschlossen werden, die ohne dauernde Betätigung eines Zustimmschalters auskommen. Der Mensch wird im selben Arbeitsraum in dem sich der Roboter befindet die Hände frei haben, um noch effizienter gemeinsame Arbeitschritte durchführen zu können.

Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Dominik Henrich am Lehrstuhl für Angewandte Informatik III, Robotik und eingebettete Systeme, an der Universität Bayreuth beschäftigt sich im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts “SIMERO” intensiv mit solchen Sensorsystemen. Ein dort entwickeltes System aus mehreren Kameras, welche die Bewegungen in einer Roboterzelle überwachen, ist zu Forschungszwecken im Roboterlabor am ABB Forschungszentrum in Ladenburg aufgebaut.

In der hier simulierten Umgebung übernimmt der Werker die feinfühligen und komplexen Arbeitsschritte, während der Roboter die Aufgaben übernimmt, die Kraft und/oder räumliche Präzision erfordern. Ein mögliches Anwendungsgebiet wäre beispielsweise die Ergonomie von Montagearbeitsplätzen. Abhängig vom aktuell an einem Arbeitsplatz arbeitenden Werker hebt der Roboter schwere Werkstücke automatisch an die für diesen Werker programmierte Position.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Dominik Henrich
Lehrstuhl für Angewandte Informatik III
(Robotik und Eingebettete Systeme)
eMail: dominik.henrich@uni-bayreuth.de
Dr. Björn Matthias
ABB Forschungszentrum
D-68526 Ladenburg
eMail: bjoern.matthias@de.abb.com