Technologien für sichere Roboterapplikationen

Flexible und menschzentrierte Arbeits- und Produktionsumgebungen bedingen die Aufhebung einer strikten Trennung (z.B. durch Schutzzäune) von Mensch und Roboter. Die schutzzaunlose Kooperation und Kollaboration erlaubt die Zusammenführung der Stärken von Menschen wie Flexibilität, kognitive Fähigkeiten und Erfahrungswissen, sensomotorische Fähigkeiten  mit den Vorteilen von Robotern wie 24/7-Einsatz, hohe Präzision und hohe Traglasten. Diese Art der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter in einem gemeinsam genutzten Arbeitsraum erfordert dabei die permanente Gewährleistung der Personensicherheit. 

Das Fraunhofer IFF erforscht und entwickelt Technologien zur normenkonformen Detektion gefahrbringender Situationen (z.B. Annäherung oder Kollisionen) zwischen Mensch und Roboter. Die Einhaltung eines separierenden Abstandes gemäß der Betriebsart „Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ muss nach ISO/TS 15066 überwacht werden. Diese Kollaborationsart bietet den Vorteil, dass neben kleinen und mittelgroßen Robotern insbesondere auch Großraum- bzw. Schwerlastroboter an der Seite des Menschen sicher eingesetzt werden können. Die dynamische Anpassung der erforderlichen Sicherheitsabstände in Abhängigkeit der aktuellen Roboterkonfiguration (u.a. Gelenkstellungen und –geschwindigkeiten) minimiert den notwendigen Platzbedarf des Roboters und erlaubt die Nutzung eines maximalen Arbeitsbereiches für den Menschen.

Hierzu haben wir ein Verfahren entwickelt, welches die erforderlichen Sicherheitsabstände nach ISO/TS 15066 zwischen Mensch und Robotersystem (Roboter, Werkzeuge, Werkstücke, etc.) zu jedem Zeitpunkt in Echtzeit bestimmt. Dieses Verfahren verwendet die aktuellen Gelenkstellungen und -geschwindigkeiten sowie die aktuelle Traglast des Roboters und berücksichtigt für die Bestimmung der Sicherheitsabstände die roboterspezifischen Eigenschaften hinsichtlich Bremswegen und Anhaltezeiten. Dies resultiert in minimalen und dynamischen Sicherheitsabständen.

Die Überwachung dieser einzuhaltenden Sicherheitsabstände benötigt entsprechende leistungsfähige Technologien. Das Fraunhofer IFF forscht hierzu an unterschiedlichen Konzepten, Verfahren und Sensorsystemen, die jeweils ihre Stärken und Vorteile in verschiedenen Applikationen bzw. Rahmenbedingungen aufweisen. Hierzu zählen neben anderen:

  • Optische Sensorsysteme wie projektions- und kamerabasierte Systeme und rein kamerabasierte Systeme (Flächen,- Tiefenbildkameras)
  • Berührungsempfindliche Sensoren als (großflächig) taktile Fußböden mit Ortsauflösung
  • Annäherungsdetektion durch kapazitive Sensorik direkt am Roboter
  • KI-Verfahren zur Analyse von MRK-Arbeitsräumen inklusive der Detektion von Personen und deren Handlungen
  • Projektive Visualisierungssysteme zur Sichtbarmachung von aktiven/inaktiven Warn- und Schutzbereichen sowie zusätzlicher Informationen (Roboterzustände, Prozess, usw.)

Darüber hinaus entwickeln wir berührungsempfindliche, hochaufgelöste und flexible Sensoren, die in Form einer taktilen Haut die komplette Roboteroberfläche bedecken und somit Kontakte zwischen Roboter und Mensch erfassen.

Des Weiteren forschen wir an inhärent sicheren Kinematiken, die z.B. nachgiebig und sehr leicht sind oder durch technologische Auslegung sicher-reduzierte Geschwindigkeiten ausführen können (mechatronische Umsetzung eines Elefantenrüssels).

Die Entwicklung neuer Sicherheitstechnologien und -komponenten zur Umsetzung flexibler und innovativer Mensch-Roboter-Kooperationsarbeitsplätze stellt einen unserer zentralen Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer IFF dar. 

Unsere Leistungen

  • Konzeption und Entwicklung innovativer Sensortechnologien und Verfahren zur Umsetzung von schutzzaunlosen Mensch-Roboter-Kooperationsarbeitsplätzen
  • Umfassende Kenntnisse und Erfahrungen auf dem Gebiet der optischen und berührungsempfindlichen Sensorsysteme (patentierte Technologien und Systeme)
  • Umsetzung von Visualisierungssystemen zur Darstellung von sicherheits-, prozess- und roboterspezifischen Informationen
  • Durchführung von Machbarkeitsuntersuchungen und Aufbau von Demonstratoren

Technologien

Detaillierte Informationen zu unseren MRK-Technologien finden Sie auf den folgenden Seiten:

 

Projektions- und kamerabasierte Technologie 

Wir haben eine projektions- und kamerabasierte Technologie für die Überwachung von Arbeitsräumen entwickelt, die in Mensch-Roboter-Kooperationsszenarien Sicherheit sowie Interaktionsmöglichkeiten, 3D-Umgebungserfassung und Werkerassistenz bietet. Diese Technologie zeichnet sich durch schnelle Reaktionszeiten, geringe Sicherheitsabstände, Unabhängigkeit von Fremdlicht und hohe Verfügbarkeit aus.

 

Taktile Sensorik für die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

Taktile Sensorsysteme, die dem menschlichen Tastsinn nachempfunden sind, ermöglichen die Erfassung von Berührungen und Druckverteilungen und finden Anwendung in Mensch-Maschine-Interaktionen, Prozessüberwachung und präzisem Greifen. Wir entwickeln individuelle taktile Sensorsysteme, die von Prototypen bis zu komplexen Systemen reichen, mit Hauptanwendungsfeldern in taktilen Fußböden, Roboterhäuten und Greifern.

 

Visualisierungssysteme

KI-basierte Verfahren zur Detektion von Personen und deren Handlungen

Referenzen

Unsere Referenzlösungen:

 

Optische Arbeitsraumüberwachung von MRK-Arbeitsplätzen

Im EU-Projekt "FourByThree" haben wir eine Technologie zur optischen Arbeitsraumüberwachung entwickelt, die Sicherheit, Interaktionsmöglichkeiten, 3D-Umgebungserfassung und Werkerassistenz in Mensch-Roboter-Kooperationsszenarien verbessert. Diese auf Projektor- und Kameratechnik basierende Lösung projiziert dynamische Sicherheitsbereiche und reduziert Fremdlichteinflüsse, wodurch die Verfügbarkeit und Anpassungsfähigkeit in verschiedenen industriellen Umgebungen erhöht werden.

 

Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mit Schwerlastrobotern in industriellen Anwendungen

Im Projekt SAPARO entwickelten wir ein innovatives Sensor- und Visualisierungssystem, das dynamische Sicherheitszonen basierend auf Roboterbewegungen und taktilen Fußböden zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation mit Schwerlastrobotern ermöglicht.

 

Taktile Sensorsysteme für die sichere Kollisionsdetektion bei der Mensch-Roboter-Interaktion

Wir entwickelten ein kostengünstiges, robustes und individuell anpassbares taktiles Sensorsystem für Robotik, das in der Mensch-Roboter-Kollaboration Kollisionen zuverlässig erkennt und den Roboter sofort stoppt, um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten. Das Projekt TAKSENS umfasste die Entwicklung, Validierung und Demonstration der technischen Machbarkeit sowie des wirtschaftlichen Potenzials dieser Technologie.

 

Stationäre Industrieroboter als Assistenzsystem zur Herstellung von Druckgussformen

Im Projekt STROBAS wurde ein Assistenzsystem für das Bearbeiten von Druckgussformen auf Basis eines Industrieroboters entwickelt. Dieses unterstützt durch seine Traglast und Präzision den Werker bei körperlich belastenden Arbeiten. Die innovativen, am Fraunhofer IFF entwickelten Sicherheitstechnologien schließen dabei jede Gefährdung des Menschen aus.

 

Teilautomatisierte Schalenendmontage durch die Integration von kollaborierenden Leichtbaurobotern

Im Projekt AGREED wurden gemeinsam von Industrie und Forschung modulare Systeme unter Berücksichtigung der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erarbeitet, um Fertigungs- und Prüfprozesse bei der Schalenendmontage intelligent zu automatisieren und zu beschleunigten.

Dynamische Arbeitsraumüberwachung, Interaktionsfunktionalität und Informationsvisualisierung an einer Holzbearbeitungsmaschine

Im Vorhaben HOMAG wurden im Auftrag eines weltweit führenden Herstellers von Holzbearbeitungsmaschinen neuartige Technologien zur Gewährleistung der Personensicherheit sowie zur Umsetzung von Interaktionsfunktionalitäten und Informationsvisualisierung entwickelt und in eine Bearbeitungsmaschine integriert.

Kollimiertes Beleuchtungssystem zur großflächigen und sicheren Überwachung von MRK-Arbeitsplätzen in der Schwerlastrobotik

Im Projekt KOLI-BOT wurde ein neuartiges, aktives Sensorsystem zur Arbeitsraumüberwachung für den Anwendungsbereich der Großraum- und Schwerlastrobotik konzipiert und umgesetzt. Dazu wurde eine kollimierte Beleuchtungseinheit entwickelt, die es ermöglicht, ein am  Fraunhofer IFF entwickeltes Überwachungssystem für die notwendige Abdeckung auch großer Arbeitsräume kostengünstig anzuwenden.

Sichere Kollaboration von Mensch und Großraumroboter durch kameraüberwachte LED-Array-Bodenmodule

Im Projekt SIMBA wird ein neuartiges, aktives Sensorsystem zur Arbeitsraumüberwachung für den Anwendungsbereich der Großraum- und Schwerlastrobotik entwickelt. Die Basis bildet ein LED-Bodenbelag, der in Kombination mit Kameratechnik eine funktional-sichere Überwachung großflächiger Arbeitsbereiche kostengünstig ermöglicht. 

Anwendungsbereiche

 

Mensch-Technik-Interaktion im Pflegebereich

 

Taktile Sensorsysteme zur sicheren Kollisionserkennung

In Anwendungen mit Mensch-Roboter-Interaktion sind taktile Sensorsysteme eine wichtige Schlüsseltechnologie für die Überwachung und Begrenzung der Interaktionskräfte zwischen Mensch und Roboter.

 

Taktile Sensorsysteme in drucksensitiven Fußbodenbelägen

Durch die Integration taktiler Sensorsysteme in Fußbodenbeläge können auf den Boden einwirkende Kräfte ortsaufgelöst erfasst werden. Derart ausgestattete Fußbodenbelag erkennen sowohl ortsfeste als auch ortsveränderliche Objekte.