Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mithilfe hochauflösender Radare

Status:

abgeschlossen 06/2021

Zielsetzung:

Die Kollaboration von Mensch und Roboter (MRK) ist ein zentrales Thema der Industrie 4.0. Ein Meta-Kriterium bei MRK ist die Personensicherheit. Schutzmaßnahmen am MRK-Roboter werden durch Anwender nur dann akzeptiert, wenn sie zudem effiziente Prozesse zulassen und hierfür eine erwartungskonforme Funktionalität bieten. Mit dem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt RoKoRa (Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mit Hilfe hochauflösender Radare) sollte ein Konzept für die Personensicherheit als performantes Beispiel in einem kollaborativen Einsatz eines Assistenzroboters dargestellt werden. Bestandteil einer MRK-Roboteranlage sind die sicherheitsrelevanten Anforderungen der konkreten Anwendung. Im Projekt musste diese ausgewählt und deren Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden. Angestrebt war ein Sicherheitskonzept zum Einsatz bei der Robotik mit höheren Traglasten und Bewegungsgeschwindigkeiten, für die noch keine universellen Schutzprodukte am Markt verfügbar und im Einsatz sind.

Aktivitäten/Methoden:

Verbundprojekt RoKoRa: Entwicklung eines Sensorsystems, das bei einer egozentrischen Sensoranbringung am Roboterarm die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters (über die Norm DIN ISO/TS 15066: Kollaborierende Roboter als Schutzmaßnahme vorgesehen), bei Bedarf auch die Bewegungsrichtung, situationsabhängig optimal anpasst. Dies geschieht über die Detektion der Annäherung zwischen Körperteilen bzw. Objekten in der Umgebung und Teilen des Roboters mittels Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung. Im Endergebnis wird so eine nutzerfreundliche, effiziente Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter möglich.

Selektion einer Beispielanwendung im Bereich Automobilfertigung (hier: Bremsscheibenmontage) mit Analyse der sicherheitsbezogenen Anforderungen. Aufbau eines Demonstrators.

Teilvorhaben DGUV/IFA: Entwicklungsbegleitende, an den Meilensteinen des Projekts orientierte Bewertungen zur "Funktionalen Sicherheit", der Anwendungsspezifikation, des Sicherheitskonzepts und der Teilkomponenten des Sensorsystems; in Referenz zu generischen Normen (DIN EN/IEC 61508, DIN EN ISO 13849, DIN EN 61784-3, DIN EN 61496, u. a.).

Ergebnisse:

Als Ergebnis des Verbundprojektes wurde ein Sensorsystem mit 16 Radarsensoren als Sensorring für eine Roboterachse mit Sensordatennetzwerk einschl. Schnittstellen und zugehörigen Kommunikationsprotokollen/Datenstrukturen im Musterstatus erstellt. Dazu gehört eine funktionale Darstellung des Sensorsystems am Demonstrator mit den in den Teilvorhaben entwickelten Komponenten und zusätzlich der Mechanik Sensorring, Greifer, Werkstück, Roboter, abstandsgeregelter Bewegungssteuerung des Roboters sowie dessen Inbetriebnahme und Funktionstest. Die mit dem Demonstrator erzielten Kennzahlen ergeben eine Detektionsfähigkeit von 40 mm bis 55 mm bis zu 1,2 m Abstand bei einer Entfernungsauflösung 40 mm. Die Latenzzeit des Sensorsystems beträgt 100 ms. Diese Leistungsmerkmale erfüllen die für die Beispielanwendung relevanten Voraussetzungen. Es wurde eine weitgehende konstruktive Konformität der Sicherheitsintegrität (SIL 2, PL d, HFT 1) zu den generischen Sicherheitsnormen und den Anforderungen des Standards für Industrieroboter DIN EN 10218-1 erreicht.

Das Vorhaben leistet einen "Enabling"-Beitrag zum im BMBF-Förderprogramm "Autonome Roboter für Assistenzfunktionen" gesetzten Schwerpunktthema Personensicherheit bei der Mensch-Roboter-Interaktion. Für einen – hier industriellen – Kontext mit Schwerlastroboter mit geringen Taktzeiten konnte demonstriert werden, dass eine Schutzmaßnahme am Roboter den Anwenderanforderungen erwartungskonform und in der Entwicklung sicherheitsgerecht darstellbar ist.

Eine sich abzeichnende wirtschaftliche Verwertung – hier: Weiterentwicklung zur DIN ISO/TS 15066-gemäßen Schutzmaßnahme für Cobots – liegt bei den entwickelnden Projektpartnern.

Stand: