Aktives 2D-Sensorprinzip und Methode zur dynamischen Generierung und funktional-sicheren Überwachung von Schutzräumen bei der Mensch-Roboter-Kooperation

Abstract

Steigende Bedarfe nach individualisierten Produkten bei gleichzeitigem Fachkräftemangel und demografischem Wandel erfordert seitens der Industrie neuartige, flexible Produktions-konzepte. Eine wesentliche Rolle spielen dabei Robotersysteme, die sich den Arbeitsraum mit dem Menschen teilen und so gemeinsam, kooperierend Aufgaben bearbeiten. Ziel dieser Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist die Zusammenführung der kognitiven und hoch-gradig flexiblen Fähigkeiten des Menschen mit den Stärken von Robotern wie Präzision, hohe Tragfähigkeit und dauerhaftem Einsatz. Neben dem Einsatz spezieller kollaborativer Roboter, die z. B. aufgrund reduzierter Bewe-gungsgeschwindigkeiten und geringer Handhabungsmassen das Gefährdungspotential für den Menschen vermindern, stellt die Einhaltung eines separierenden Abstandes zwischen Mensch und Roboter eine allgemeingültige Lösung zur Realisierung von MRK-Applikationen dar. Für die dynamische Bestimmung und Überwachung des Mindestabstandes in Abhängig-keit der aktuellen Roboterkonfiguration (u. a. Gelenkstellungen, -geschwindigkeiten) werden im Stand der Wissenschaft eine Vielzahl an verschiedenen Sensorsystemen und Verfahren vorgestellt, die jedoch aus unterschiedlichen Gründen bisher nicht als Schutzeinrichtungen umgesetzt wurden. Die vorliegende Arbeit adressiert die Konzeption und Entwicklung eines neuartigen aktiven 2D-Sensorprinzips (A2S) und Methode zur Absicherung industrieller MRK-Arbeitsplätzen mit-tels dynamischer Abstandsüberwachung. Für einen zukünftigen Einsatz dieser Technologie als Schutzeinrichtung wurden die Anforderungen (1) Ganzheitliche sensorische Erfassung, (2) Minimale Mindestabstände, (3) Funktionale Sicherheit, (4) Maximale Verfügbarkeit und (5) Dynamische Sicherheitsabstände auf Basis einer Analyse der Rahmenbedingungen abgeleitet. Diese Anforderungen bilden das Fundament für die Analyse und Bewertung des aktuellen Standes der Wissenschaft, auf dessen Grundlage schließlich folgende Forschungsfrage abge-leitet wurde: Können auf Basis passiver 2D-Kameratechnik ein aktives 2D-Sensorprinzip und Methode konzipiert werden, welche die Anforderungen an eine Schutzeinrichtung zur Umsetzung der MRK-Methode „Ge-schwindigkeits- und Abstandsüberwachung“ per sicherer Schutzraumüberwachung erfüllen? Abhängigkeit der aktuellen Roboterkonfiguration gemäß ISO/TS 15066 entwickelt. Im Ergeb-nis liegt ein dynamischer Schutzraum vor, der die erforderlichen Mindestabstände beinhaltet und den Roboter als minimale Hülle umschließt. Die Schutzraumkontur wird durch den Lichtmodulator als sichtbare Linie direkt in den Arbeitsraum projiziert und durch die umge-bende Kamera hinsichtlich einer Unterbrechung des Lichtstrahlenganges überwacht. Da die Handhabung von Objekten (Bearbeitung, Pick & Place usw.) deren Einbeziehung in den Ro-boter-Schutzraum erfordert, wurde das Verfahren hinsichtlich einer Fusion mehrerer Schutzräume weiterentwickelt. Im Rahmen einer umfassenden Evaluierung konnte gezeigt werden, dass die realisierte Lösung für verschiedenste MRK-Szenarien prädestiniert ist. Neben der Sicherheit stellt die Verfügbarkeit eine weitere Hürde für den zukünftigen Einsatz des A2S im industriellen Bereich dar. Eine hohe Verfügbarkeit zeichnet sich durch eine ro-buste Objekterfassung (unabhängig von Oberflächeneigenschaften) und minimaler Beeinflussung durch Umgebungsbedingungen aus. Insbesondere bei optischen, kameraba-sierten Systemen können ambiente und/oder hoch-dynamische Fremdlichtänderungen einen zuverlässigen Überwachungsbetrieb stören oder gänzlich verhindern. Zur Erreichung des Ziels einer maximalen Verfügbarkeit wurde eine Methode zur Detektion von Schutzraumver-letzungen auf Grundlage (i) einer robusten Extraktion aktiv beleuchteter Bildbereiche mittels Bildfolgeauswertung und (ii) einer modellbasierten Generierung von Ground Truth Daten der Schutzräume konzipiert. Die Umsetzung dieser Methode resultiert darin, dass einerseits be-liebige nicht-transparente Objekte unabhängig von ihren Oberflächeneigenschaften während einer Schutzraumeindringung zuverlässig detektiert werden. Andererseits führen ambiente Fremdlichtänderungen bis zu einer Beleuchtungsstärke von 50.000 𝑙𝑢𝑥 zu keiner Beeinflus-sung der Überwachungsfunktion. Durch die Erweiterung der entwickelten Methode um raumzeitlich veränderbare Codierungen diskreter Schutzraumregionen konnten Störungen der Detektionsleistung aufgrund hoch-dynamischer Fremdlichteinflüsse vermieden werden. Das konzipierte Prinzip und die entwickelten Methoden wurden schließlich an einem indust-riellen MRK-Versuchsstand implementiert. Die Analyse der Reaktionszeit und Detektionsauflösung unter Verwendung konkreter Hardwarekomponenten zeigte schließ-lich, dass mit einer erreichten Reaktionszeit von 34 𝑚𝑠 und einer optimalen Detektionsauflösung von 14 𝑚𝑚 (Fingerauflösung) die resultierenden Mindestabstände des A2S gegenüber vergleichbaren Sensorsystemen im Stand von Wissenschaft und Technik sig-nifikant reduziert werden. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit ein neuartiges, innovatives und funktional-siche-res Arbeitsraumüberwachungssystem zur Gewährleistung der Personensicherheit bei der MRK, welches die abgeleiteten Anforderungen an eine Schutzeinrichtung in hohem Maße er-füllt und darüber hinaus ein großes Potential zur Umsetzung weiterer zukünftiger Funktionalitäten (z. B. Interaktion, Werkerassistenz, 3D-Vermessung) bietet. Für die Beantwortung dieser Frage werden etablierte Sicherheitsprinzipien analysiert sowie bezüglich einer 3D-Arbeitsraumüberwachung mittels dynamisch-gerichteter Beleuchtung und kamerabasierter 2D-Intensitätserfassung adaptiert. Mit dem Ruhestromprinzip als Funda-ment des entwickelten A2S konnte gezeigt werden, dass ein erforderliches Sicherheitsniveau (Performance Level PL=𝑑 nach ISO 13849-1) erreicht werden kann und das A2S damit prin-zipiell als zukünftige Schutzeinrichtung für die MRK qualifiziert ist. Aufbauend auf den Sensorkomponenten (Lichtmodulator, Kameratechnik) wurde ein modell-basiertes, geometrisches Verfahren zur effizienten und dynamischen Abstandsbestimmung in