Projekt Simero

Sicher ein Team

Kameragesteuerte Mensch-Roboter-Kooperation
Roboterlabor im ABB-Forschungszentrum Ladenburg: Wenn Werker und Roboter in einem Arbeitsraum Aufgaben ausführen, muss die Geschwindigkeit begrenzt werden. (Foto: ABB)
Der Trend zu größerer Variantenvielfalt bei gleichzeitig sinkenden Serienzahlen und Losgrößen erfordert eine zunehmende Anpassungsfähigkeit von Fertigungseinrichtungen. An der Universität Bayreuth wird im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekts „Simero“ ein System zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation entwickelt. Gemeinsam mit ABB wurde ein Prototyp des Systems für die Robotersteuerung IRC5 realisiert.

Seit etwa 30 Jahren sind Industrieroboter ein wichtiger Baustein in der Automobilfertigung, zunehmend auch in anderen Industriezweigen. Sie werden eingesetzt zur Handhabung von Werkstücken bei Pressen, Werkzeug- oder Spritzgussmaschinen, zur Kommissionierung von Paletten sowie für das „Pick-and-Place“ von Keksen oder Fischstäbchen. Roboter sind stark, schnell und positionsgenau. Der Mensch dagegen ist unerreicht geschickt bei komplizierten Handhabungsarbeiten und kann flexibel auf ungeplante Situationen reagieren. Die Kombination der Stärken beider verspricht eine große Produktivitätssteigerung.

Weil aber ein Roboter, der sich bewegt, zunächst eine Gefahrenquelle für Menschen darstellt, war bis vor kurzem die strikte Trennung der Arbeitsbereiche von Robotern und Menschen durch Schutzeinrichtungen üblich. Das Öffnen der Zugangstür hatte das sofortige Abschalten des Roboters zur Folge. Das gemeinsame Ausführen eines Arbeitsschritts zwischen Werker und Roboter war somit nicht möglich.

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Durch sicherheitsgerichtete Sensorik (Lichtgitter, Laserscanner) wird die Forderung nach mehr Flexibilität nur zum Teil erfüllt. Im sensorisch abgesicherten Bereich lassen sich Umgestaltungen der Zelle durch das Umprogrammieren der Schutzfeldgeometrie der Sensoren erreichen. Jedes Übertreten des optoelektronisch aufgespannten Schutzfeldes führt jedoch durch die sicherheitsgerichtete Elektronik zur sofortigen, automatischen Abschaltung des Roboters.

Räumlicher Abstand

Bisherige sicherheitsgerichtete Sensoren können – analog zu fest installierten Schutzeinrichtungen mit Zugangstüren – lediglich die Verletzung eines statischen Schutzraumes, meist in einer Ebene oder entlang einer Linie detektieren. Kamerasysteme und räumlich detektierende Sensoren werden diese technologische Lücke, zum Beispiel in Roboterzellen, künftig schließen. Der Mensch wird im gemeinsamen Arbeitsraum mit dem Roboter kooperierend Arbeitsschritte durchführen können.

Der Lehrstuhl Robotik und Eingebettete Systeme (Prof. Dr. Dominik Henrich) der Universität Bayreuth arbeitet gegenwärtig an dem von der DFG geförderten Projekt „Simero“ – Sicherheitsstrategien für die Mensch-Roboter-Kooperation. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Multikamerasystem entwickelt, das durch Arbeitsraumüberwachung des Roboters bewegliche Hindernisse – somit auch den Menschen – erkennen und den räumlichen Abstand bestimmen kann. Dieser Abstand wird auch genutzt, um die Geschwindigkeit des Roboters nahezu stufenlos zu regeln. Je näher ein Hindernis kommt, desto geringer ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters. Folglich kann er keine Kollisionen verursachen. Zudem hat die Methode der Geschwindigkeitsregelung gegenüber einem schnellen Halt den Vorteil, dass die Aufmerksamkeit des Menschen von seiner eigentlichen Aufgabe nicht abgelenkt wird.

Hinderniserkennung und Distanzberechnung

Das Verfahren verwendet Kameras, die an unterschiedlichen Positionen am Rand des Roboterarbeitsraums angebracht sind. Die exakte Position und Orientierung jeder Kamera werden in einem Kalibrierungsschritt ermittelt. Sie sind Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit des Systems. Im Betrieb liefert jede Kamera Bilder des aktuellen Arbeitsraums, die mit zuvor aufgenommenen Bildern des leeren Raums verglichen und dann an ein zentrales Computersystem geschickt werden. Mit den Informationen über die Gelenkwinkel und Geometrie des Roboters sowie über Position und Orientierung jeder Kamera lassen sich die vom Roboter erzeugten Hindernisbereiche ausblenden.

Weil die Roboterkonfiguration und -geometrie zu jedem Zeitpunkt bekannt sind, kann die Distanzberechnung mit einem komplizierten Algorithmus durchgeführt werden. Dazu wird ein Robotermodell in die Bilder jeder Kamerasicht projiziert. Mit der Überlegung, in wie vielen Kameras ein Objekt durch den Roboter verdeckt sein kann, lässt sich der tatsächlich kürzeste Abstand zwischen Roboter und beweglichen Hindernissen ermitteln. Die so errechnete Distanz wird zur Robotersteuerung gesendet und zur Regelung der aktuellen Robotergeschwindigkeit verwendet. Mit optimierten Algorithmen lassen sich mehrere Abstandsberechnungen innerhalb weniger Millisekunden auf einem aktuellen, handelsüblichen und damit sehr kostengünstigen Computersystem (PCs, Firewire-Kameras, Netzwerkhardware) durchführen.

Robotersteuerung

Durch diese neue Funktionalität, die ABB in seine Robotersteuerung IRC5 integrierte, lässt sich der Roboter in seiner Bewegung so steuern, dass er nicht mehr als Verletzungsquelle gilt. 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 am Roboterarm oder durch Eingabe über Steuerhebel oder -tasten. Eine Bewegung des Roboters ist in Gegenwart des Werkers möglich. Nach einem gemeinsamen Arbeitsschritt zwischen Werker und Roboter kann sich der Roboter in einem folgenden (zum Beispiel vollautomatischen) Schritt wieder mit angepasster Geschwindigkeit bewegen.

Gunthart Mau

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