Robotik – Sicherheit ohne Schutzzaun

Vorsichtig hebt und positioniert der Roboter ein schweres Bauteil, währenddessen schweißt ein Mitarbeiter direkt daneben leichte Aluminiumwerkstücke an eine Maschine an. Zwar sind solche Szenarien derzeit noch Zukunftsmusik, nach dem Willen der Industrie werden sie jedoch schon bald zum Arbeitsalltag gehören.

Vor allem bei Montagetätigkeiten sollen sich Mensch und Roboter künftig ergänzen und ihre speziellen Fähigkeiten für die Zusammenarbeit nutzen: Der stählerne Assistent könnte seine Kraft, Ausdauer und Geschwindigkeit ausspielen – der Mensch hingegen seine Fingerfertigkeit und sein motorisches Geschick. Derzeit sind die automatischen Helfer jedoch meist von Schutzzäunen umgeben. Die Arbeitsschutzvorschriften erlauben den Kontakt zwischen Personen und Robotern nur unter bestimmten Bedingungen – zu groß ist die Gefahr, dass sich Menschen verletzen. Um die Zusammenarbeit dennoch zu ermöglichen, sollen neue Technologien Arbeitsräume und Sicherheitsbereiche definieren, die der Mensch nicht betreten darf.

Beim Überschreiten dieser Schutzzonen wird der Roboter gestoppt oder verlangsamt. Eine neuartige Lösung zur hochflexiblen Arbeitsraumüberwachung haben jetzt Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg im Projekt »ViERforES« entwickelt. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Bei dieser Sicherheitslösung kommen herkömmliche Projektoren und Kameras zum Einsatz, die in der Regel an der Decke angebracht werden. Die Besonderheit des Systems: Die zu überwachenden Schutzzonen werden direkt auf den Fußboden oder auch an die Wand projiziert. Dabei zeichnen die Projektionsstrahlen sichtbare Linien in den Arbeitsraum. Menschen erkennen das Schutzfeld somit sofort und wissen, wie weit sie sich dem Roboter nähern dürfen.

Werden die Sicherheitsbereiche durch Betreten von Personen verletzt, so erkennt die Kamera dies umgehend – die projizierten Linien werden unterbrochen. Der Roboter bremst sogleich. Zusätzlich lassen sich optische und akustische Warnsignale erzeugen. Eine weitere Besonderheit: Die markierten Bereiche können in ihrer Lage und Größe variieren und beliebige Formen annehmen – etwa einen Kreis, ein Rechteck oder variable Freiformen. »Wir verwenden übliche Standardkomponenten, daher lässt sich unsere Lösung kostengünstig installieren. Beamer und Kamera sind zueinander kalibriert und synchronisiert«, sagt Dr. Norbert Elkmann, Geschäftsfeldleiter am IFF. Soll eine größere Fläche überwacht werden, kann das System um zusätzliche Projektoren und Kameras erweitert werden.

Das Überwachungssystem arbeitet mit moduliertem Licht. »Das hat den Vorteil, dass es auch bei Fremdlichteinflüssen wie Sonneneinstrahlung und Schatten zuverlässig einsetzbar ist. Bisherige rein kamerabasierte Systeme zur Raumüberwachung arbeiten nur bedingt fremdlicht-unabhängig«, erklärt Elkmann. Die Experten können das System darüber hinaus mit Robotersteuerungen koppeln und so das Warn- oder Schutzfeld dynamisch anpassen. Arbeitet der Roboter zum Beispiel zeitweise nur im linken Bereich seines Arbeitsraums, muss nicht der maximale Roboterarbeitsraum gesichert werden.

Elkmann und sein Team haben ihr Verfahren zum Patent angemeldet. Ein Prototyp ist bereits vorhanden. Die Anwendungsmöglichkeiten des projektions- und kamerabasierten Systems beschränken sich nicht nur auf die sichere Mensch-Roboter-Interaktion. Auch andere sicherheitsrelevante Bereiche wie öffentliche Gebäude können überwacht werden. Das System lässt sich auch dort einsetzen, wo die Schutzzonen nicht erkennbar sein sollen – mittels Projektion von nicht sichtbarem Licht.