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Aktuell:

Neue Zukunftsthemen der Robotik

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Quelle von Bild und Text: Fraunhofer IPA

Roboter-Sicherheit auf dem Prüfstand:

Neue Anforderungen an eine sichere Mensch-Roboter-Kooperation

 

Robotertechnik für neue Anwendungsszenarien - in Zukunft sollen Mensch und Roboter nicht nur Produktionsprozesse gemeinsam sicher durchführen. Die Einsatzbereiche sollen zusätzlich zu industriellen Aufgaben auch zivile Anwendungen einschließen, z. B. in pflegerischen Bereichen oder bei Sicherheitsproblemen. Dazu muss der Roboter aus den klassischen Sicherheitszäunen heraus in kooperativer Weise mit den menschen interagieren. Dafür gilt es jedoch komplett neue Spielregeln zu definieren!

Bei hoher Variantenvielfalt die Qualität durch Automatisierung steigern und gleichzeitig eine hohe Wirtschaftlichkeit gewährleisten – dieser Spagat gelingt nur dann, wenn der Mensch mit seinen kognitiven Fähigkeiten als aktives Glied in der Fertigungskette erhalten bleibt. Ergo gilt es, die Voraussetzungen für eine direkte Kooperation von Mensch und Roboter (MRK) zu schaffen. So müssen sich zukünftige Robotersysteme, die sich außerhalb der Vollautomatisierung behaupten wollen, anderen Sicherheitsanforderungen stellen, als sie bis dato für Industrieroboter galten. Das heißt: Bislang wurden Roboter hauptsächlich in gesicherter weil eingezäunter Umgebung für monotone und schwere Aufgaben eingesetzt. Diesbezüglich steht aktuell ein grundsätzlicher Wandel bevor: Das bisher gültige Prinzip der räumlichen Trennung von Mensch und Roboter wird für eine Mensch-Roboter-Kooperation (MRK-Systeme) aufgehoben. Mensch und Maschinen arbeiten zukünftig Hand-in-Hand. Die sicherheitstechnische Umsetzung dieser Zielsetzung ist grundlegend neu zu bewerten.

Wenn auch fast jeder Roboterhersteller heutzutage seinen Roboter mit einer Sicherheitssteuerung zur sicherheitsgerichteten Positions- und Geschwindigkeitsüberwachung anbietet, so ist damit in der Gesamtumsetzung einer Anlage nur der erste Schritt zu einer sicheren MRK-Zelle getan. Die internationalen Normungsgremien haben den Bedarf zur Standardisierung der MRK erkannt und schon in der 2006 veröffentlichten Sicherheitsnorm DIN EN ISO 10218-1 (Industrieroboter – Sicherheitsanforderungen – Teil 1: Roboter) den „Kollaborierenden Roboter“ erstmals definiert sowie Mindestvorgaben an seinen Betrieb aufgestellt. Neben der Absicherung der Kooperation durch den Einsatz von Sicherheitssteuerungen und der Arbeitsraumüberwachung verweist diese Norm auf die Begrenzung von Kenngrößen im Falle einer Kollision. Allerdings bringen pauschale Werte für die Geschwindigkeit oder eine Leistungsbegrenzung keine Sicherheit für die Vielzahl an Roboteranlagen, die vorstellbar sind. Sie können vielmehr das Gegenteil bewirken, wenn sich der Anwender auf einen Grenzwert stützt, ohne die gesamten Konsequenzen einer möglichen Kollision zu betrachten.

Forschung aktuell: Roboter mit Feingefühl

Multimodale Sensoren ermöglichen flexible Automatisierung und sichere Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie.

Intelligente Roboter nehmen ihre Umgebung wahr und reagieren auf sie. Dazu benötigen sie Sensoren, die verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben multimodale Sensoren entwickelt, die sowohl Bewegungen als auch Berührungen detektieren und damit optische Systeme ideal ergänzen.

Karlsruhe/Hannover: Roboter können den Menschen eintönige, beschwerliche oder gefährliche Arbeiten abnehmen. Längst ist ihr Einsatz in vielen Bereichen der Wirtschaft etabliert, wie in der industriellen Produktion, Wartung, Logistik oder Landwirtschaft. Ein intelligenter Roboter zeichnet sich dadurch aus, dass er seine Umgebung wahrnehmen und auf sie reagieren kann. So kann er komplexe Aufgaben ausführen, beispielsweise unbekannte Objekte greifen, dabei flexibel agieren und sicher mit dem Menschen interagieren. Intelligente Roboter benötigen dazu Sensoren, die ihnen Informationen über ihre Umgebung vermitteln. So wie ein Mensch verschiedene Sinne gleichzeitig nutzt und die einzelnen Wahrnehmungen im Gehirn zu einem Gesamtbild verknüpft, muss ein intelligenter Roboter über sogenannte multimodale Sensorik verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen und auswerten können. Stationäre und mobile Roboter verfügen häufig über 2D- oder 3D-Kameras und Laserscanner, um ihr Umfeld optisch wahrzunehmen. Allerdings ist die Genauigkeit dieser optischen Systeme häufig durch ungünstige Lichtverhältnisse oder verdeckende Objekte beeinträchtigt. Forscher am Institut für Anthropomatik und Robotik (IAR) – Intelligente Prozessautomation und Robotik (IPR) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Sensoren entwickelt, welche die etablierten optischen Systeme ergänzen.

Nähert sich ein Objekt dem Roboter, verändert sich das elektrische Feld, das den Sensor umgibt. Diese Information wird als Näherungsinformation ausgewertet. So detektiert der Sensor Bewegungen. Dagegen werden Berührungen, die zu einer mechanischen Komprimierung der Zwischenschicht führen, als Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden erfasst.

Roboter-Feingefühl

 

Kompromiss zwischen Reichweite und Ortsauflösung

 

»Die Deckelelektroden lassen sich beliebig zusammenfassen«, erklärt Professor Björn Hein, Leiter der Gruppe Intelligente Industrieroboter (IIROB) am IAR-IPR des KIT. »So lässt sich je nach Situation ein passender Kompromiss zwischen der Reichweite und der Ortsauflösung des Sensors finden.« Die Sensormodule lassen sich zu Sensorflächen in unterschiedlichen Größen vernetzen – von kleinen Flächen an Greifern bis hin zur großflächigen Roboterhaut.

Mit den kapazitiven taktilen Näherungssensoren lassen sich Flexibilität und Agilität der automatisierten industriellen Produktion deutlich erhöhen. Zudem verbessern die TNS die Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion: Sie detektieren und lokalisieren herankommende Menschen und erzeugen Warnsignale, sobald vordefinierte Sicherheitsabstände unterschritten werden. Daraufhin wird die Geschwindigkeit der Aufgabenausführung reduziert oder sogar der Roboter angehalten. Die TNS können damit einen wichtigen Beitrag zu einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration leisten, bei der Mensch und Roboter gleichzeitig am selben Werkstück arbeiten.

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Roboter-Auto erreicht mit Stelzen schwer zugängliche Orte

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