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• Die Software-Plattform des Fraunhofer IDMT für das Monitoring von Industriearbeitsplätzen hilft, Unfälle bei der Mensch-Maschine-Interaktion anzuwenden.© Felix Rauhut
  
• Mit dem Konfigurations-Tool „Sim4Save“ wird am 3D-Modell von Roboterarbeitsplätzen Art und Lage der Überwachungsausstattung optimal geplant.© IDMT
  
• Die Software-Plattform des Fraunhofer IDMT für das Monitoring von Industriearbeitsplätzen hilft, Unfälle bei der Mensch-Maschine-Interaktion zu verhindern.© Felix Rauhut
  

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Marktreife2013

Für Arbeitsplätze, an denen Mensch und Roboter eng zusammen arbeiten, gelten besonders strenge Sicherheitsbestimmungen. Die Maxime »Im Zweifel mehr Sicherheit« steht dabei allerdings oft im Gegensatz zur optimalen Gestaltung von Arbeitsabläufen. Ein intelligentes Monitoring-System soll nun eventuelle Gefahrsituationen automatisch vorhersehen und so eine noch produktivere Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine erlauben. Und das bei hohem Gefährdungsschutz.

Sie arbeiten schnell und äußerst präzise, haben Bärenkräfte oder hantieren mit gefährlichen Stoffen. Und sie brauchen dabei noch nicht einmal eine Pause. Gerade in den Bereichen Fertigung und Logistik sind Roboter eine wichtige Stütze menschlicher Produktivität. Aber auch sie arbeiten nicht völlig autonom, sondern sind eingegliedert in den Arbeitsfluss der Mitarbeiter. Bei mobilen Robotern etwa zur Einlagerung und Entnahme von Produkten und Paletten in Lagerhallen teilen sich Mensch und Maschine zum Beispiel Fahr- und Gehwege. Damit bei der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Mensch keine Unfälle passieren, müssen die Maschinen „Rücksicht“ nehmen und teilweise ihre Arbeit vorsorglich unterbrechen. Dies ist einerseits unabdingbar, weil bereits eine kleine Unachtsamkeit oder ein Stolpern des Arbeiters zu schweren Unfällen führen kann. Andererseits bedeutet es aber auch, dass sich derartige »Zwangspausen« für die Roboter häufen können. In der Konsequenz ist die tatsächliche Produktivität des Mensch-Maschine-Teams also geringer, als durch den Nutzen von Synergieeffekten erhofft.
Um dies zu ändern, ohne dabei Abstriche bei der Sicherheit machen zu müssen, entwickelte das Fraunhofer IDMT im Projekt »BildRobo« eine spezielle Software-Plattform für das Monitoring von Industriearbeitsplätzen mit erhöhtem Gefährdungspotential. Der gemeinsame Arbeitsbereich von Robotern und Arbeitern wird dabei von Kameras, Mikrophonen oder anderen Sensoren überwacht. Vom Softwaretool »Link4Save« werden die einzelnen Sensordaten in Echtzeit ausgewertet und fusioniert. Die bestehenden Sicherheitskonstruktionen bei der Zusammenarbeit zwischen Roboter und Menschen lassen sich auf diese Weise feintunen, so dass ein automatisches, vorsorgliches Abschalten der Maschine nicht zwangsläufig erforderlich ist. Solange Mitarbeiter und Roboter »nur« in unmittelbarer Nachbarschaft arbeiten, ohne dass sich ihre Handlungsbereiche  überschneiden, ist künftig also ein unterbrechungsfreier Fertigungsfluss möglich. Die Monitoring-Software lässt den eingespielten Prozessen ihren Lauf, bis eine unmittelbar bevorstehende Gefahrensituation erkannt wird: Kommen sich Roboter und Arbeiter bei ihrer Tätigkeit gefährlich nahe, wird dies von der Sicherheits-Plattform als kritisches Szenario interpretiert. Die Maschine wird sofort gestoppt oder der Bewegungsablauf des Roboters soweit verlangsamt, dass es zu keiner gefährlichen Überschneidung der Arbeitsbereiche mehr kommen kann.

Um einen zuverlässigen Schutz vor möglichen Gefahren zu gewährleisten, bleibt die Situationsanalyse der Sicherheits-Plattform jedoch nicht auf das gegenwärtige Geschehen rund um den Roboterarbeitsplatz beschränkt. Die Forscher des Fraunhofer IDMT haben ihre Monitoring-Software zusätzlich mit lernfähigen Algorithmen ausgestattet, die eine Vorausberechnung der Ereignisse am Beobachtungsort ermöglichen. Für die Arbeit des Roboters ist dies verhältnismäßig einfach. Seine Programmierung erlaubt natürlich eine exakte Vorhersage seines Arbeitsflusses. Weit komplexer ist die Berücksichtigung des menschlichen Faktors. Um mögliche Gefahren vorherzusehen, errechnet die Analysesoftware auch Gefahrensituationen, die beispielsweise durch eine unkontrollierte Bewegung oder ein Stolpern des Arbeiters entstehen können. Ergibt sich aus dieser »Vorausahnung« die Möglichkeit einer Beinahe-Kollision, ertönt ein Warnton und die Anlage wird verlangsamt oder gestoppt. Wie im Einzelfall auf die jeweilige Gefahrensituation reagiert wird, lässt sich variieren und hängt vom Gefährdungsniveau des konkreten Einsatzszenarios ab. So bleibt etwa bei einer Überschneidung von Fahr- und Gehwegen in einem Hochlager dem Arbeiter noch ausreichend Zeit, um selbst reagieren zu können. Ein Warnton würde hier also ausreichen. Bei einem Fertigungsroboter, der sehr schnelle Bewegungen ausführt, wäre dagegen ein sofortiger Stopp unabdingbar, um eine in Sekundenbruchteilen drohende Gefährdung noch rechtzeitig abzuwenden.

Für die Zuverlässigkeit des Echtzeit-Monitorings der Industriearbeitsplätze braucht es also zu eine intelligente Sensordatenfusion und situationsgerechte Auswertungsalgorithmen. Darüber hinaus ist die verwendete Beobachtungstechnik entscheidend. Kameras und Mikrophone müssen so positioniert werden, dass eine lückenlose und fehlerfreie Aufzeichnung der Geschehnisse gewährleistet werden kann. Eine ausreichende Redundanz der aufgezeichneten Beobachtungsdaten ist beispielsweise erforderlich, um auch dann zuverlässige Daten zu erhalten, wenn eine Kamera verdeckt wird oder die Aufnahmen eines Akustiksensors aufgrund von Störgeräuschen nicht eindeutig bewertet werden können. Um die Sensorausstattung eines Industriearbeitsplatzes so planen zu können, dass mit effizientem Aufwand die notwendige Sicherheit erreicht wird, entwickelten die Forscher vom Fraunhofer IDMT für ihr Monitoring-System zudem eine spezielle Planungskomponente: Mit dem Konfigurations-Tool »Sim4Save« wird das zu beobachtende Areal als schematisches 3D-Modell der Fabrikhalle simuliert. Im nächsten Schritt lassen sich dann die Kameras und Sensoren an Wänden, Decken oder auch direkt am Roboterarm positionieren. Bereits in der Planungsphase lassen sich tote Winkel oder dunkle Ecken erkennen und so der gesamte Roboterarbeitsbereich mit geeigneter Erfassungstechnologie ausstatten. Dies hat gegebenenfalls auch Einfluss auf die Architektur der Halle und die Anordnung der Maschinen.

Die Forscher des Fraunhofer IDMT haben in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ihr Sicherheits-System prototypisch umgesetzt. Aktuell arbeiten sie daran, die Analyse-Funktionalität der Software-Plattform auf zusätzliche Sensortypen zu erweitern. Je nach Anwendungsszenario wird damit das zuverlässige Erkennen von Gefahrensituationen zusätzlich erleichtert. Auch im Bereich des maschinellen »Vorausahnens« von Gefahrensituationen entwickeln und testen die Forscher ergänzende Analyseschritte, um die Situationsbewertungen innerhalb von Sekundenbruchteilen so verlässlich berechnen zu können, dass das gesamte Monitoring-System nicht nur die bestehenden hohen Sicherheitsanforderungen für einen Praxiseinsatz in der Industrie erfüllt, sondern darüber hinaus ein zusätzliches Sicherheitsplus realisierbar macht. (mab)