Zäune einreißen durch Hauterkennung. Mensch-Roboter-Kollaboration -
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Mensch-Roboter-Kollaboration

Zäune einrei­ßen durch Haut­er­ken­nung

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Um Unfall­ri­si­ken zu vermei­den, arbei­ten die aller­meis­ten indus­tri­el­len Robo­ter hinter star­ren Schutz­ein­rich­tun­gen. Das Insti­tut für Sicher­heits­for­schung der Hoch­schule Bonn-Rhein-Sieg forscht schon seit Jahren an der Zukunfts­tech­no­lo­gie „Kolla­bo­rie­rende Robo­ter“, die ein barrie­re­freies und dennoch hoch­si­che­res koope­ra­ti­ves Arbei­ten zwischen Mensch und Maschine bald möglich machen soll. Gerade star­tet das neue Projekt „beyond­SPAI“.

Joerg Hensiek

Die volks- und betriebs­wirt­schaft­li­chen Verhei­ßun­gen sind gewal­tig: Die Forschung nach Möglich­kei­ten der idea­len Zusam­men­ar­beit von Mensch und Robo­ter, die soge­nannte Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK), verspricht ein neues „Golde­nes Zeit­al­ter“ für die Indus­trie. Millio­nen von neuen Arbeits­plät­zen könn­ten welt­weit entste­hen. Die Stär­ken des Robo­ters – Präzi­sion, Kraft und Uner­müd­lich­keit – und die Stär­ken des Menschen – geis­tige Flexi­bi­li­tät und Inno­va­ti­ons­fä­hig­keit – könn­ten eine bisher beispiels­lose Produk­ti­vi­tät entste­hen lassen. Doch wie alle revo­lu­tio­nä­ren neuen Entwick­lun­gen in der Arbeits­welt hat auch die Mensch-Roboter-Kollaboration ihre Start­pro­bleme, die erst gelöst werden müssen, um die Tech­no­lo­gie wirk­lich praxis­taug­lich zu machen. Beson­ders schwer­wie­gende Problem­fel­der betref­fen den Arbeits- und Gesund­heits­schutz.
Im heuti­gen Arbeits­all­tag findet man zwar schon viele Robo­ter. Sie werden aber aus Grün­den der Unfall­ver­mei­dung von Menschen entwe­der durch Abtren­nun­gen komplett fern­ge­hal­ten oder ihre Arbeits­ge­schwin­dig­kei­ten erheb­lich gedros­selt, sobald Menschen sich in ihrer direk­ten Nähe aufhal­ten. Der unmit­tel­bare Kontakt zwischen Maschine und Mensch, den die Mensch-Maschine-Kollaboration mit sich bringt, würde also ganz wort­wört­lich „Zäune“ einrei­ßen, denn Sicher­heits­ab­tren­nun­gen zwischen Arbei­ter und Robo­ter wird es in der neuen Arbeits­welt dann nicht mehr geben. Neue und flexi­blere Sicher­heits­vor­keh­run­gen müssen also entwi­ckelt und praxis­taug­lich gemacht werden – eine gewal­tige Heraus­for­de­rung für die Forschung.
Heraus­for­de­rung Haut­er­ken­nung
Dieser Heraus­for­de­rung stellt sich zum Beispiel das Insti­tut für Sicher­heits­for­schung der Hoch­schule Bonn-Rhein-Sieg. Dort wurden in den vergan­ge­nen Jahren eine Reihe von ambi­tio­nier­ten und wegwei­sen­den Forschungs- und Entwick­lungs­pro­jek­ten durch­ge­führt. Ziel dieser Projekte war es, verschie­dene opti­sche Sensor­sys­teme als appli­ka­ti­ons­spe­zi­fi­sche Schutz­ein­rich­tun­gen zu entwi­ckeln und in Feld­stu­dien deren Praxis­taug­lich­keit zu über­prü­fen. Im bereits abge­schlos­se­nen Projekt „SPAI“ (Sichere Personendetek-tion im Arbeits­be­reich von Industrie-robotern durch ein akti­ves NIR-Kamerasystem) wurde beispiels­weise ein spezi­el­les Kame­ra­sys­tem als Schutz­ein­rich­tung entwi­ckelt, das den nahin­fra­ro­ten (NIR) Spek­tral­be­reich nutzt. Die Herausforde-rung für das Forscher­team bei der Entwick­lung des Kame­ra­sys­tems bestand darin, eine zuver­läs­sige Erken­nung von Gefähr­dungs­si­tua­tio­nen insbe­son­dere unab­hän­gig vom Haut­typ eines Menschen möglich zu machen. Denn die bislang entwi­ckel­ten kame­ra­ba­sier­ten Systeme zur Haut­er­ken­nung bieten gegen­über tradi­tio­nel­len Schutzeinrich-tungen wie Zäunen, Käfi­gen oder sons­ti­gen Abtren­nun­gen zwar eine deut­lich größere Flexi­bi­li­tät, erwie­sen sich aber für viele Anwen­dungs­fälle noch als unzu­ver­läs­sig.
Der Grund hier­für: Eine robuste Erken­nung mensch­li­cher Haut ist durch ihre Farbe im sicht­ba­ren Spek­tral­be­reich des Lichts sehr schwie­rig. Unter­schied­li­che Haut­ty­pen, schlechte Lichtverhältnis-se und haut­ähn­lich ausse­hende Mate­ri­al­ober­flä­chen sind für opti­sche Senso­ren und Kame­ra­sys­teme ebenso ein Problem wie für das mensch­li­che Auge und können zu Täuschun­gen und Fehlerkennun-gen führen.
Im nahin­fra­ro­ten Spek­tral­be­reich (NIR) hinge­gen unter­schei­det sich Haut jeden Haut­typs durch ihre „spek­trale Signa­tur“ signi­fi­kant von ande­ren Stof­fen. Die Auswer­tung der von einer Mate­ri­al­ober­flä­che reflek­tier­ten Nahin­fra­rot­strah­lung ermög­licht daher die schnelle und sichere Erken­nung von Haut.
Der Lösungs­an­satz, spek­trale Signa­tu­ren im Nahin­fra­rot­be­reich auszu­wer­ten, verhalf dem Team rund um Profes­sor Norbert Jung: Ihr NIR-Kamerasystem konnte nun Perso­nen und die Posi­tion ihrer Hände zuver­läs­sig erken­nen und verfol­gen. Bei Eingriff in eine defi­nierte Warn- oder Schutz­zone um den Robo­ter verlang­samt oder stoppt er durch die Infor­ma­tio­nen der Kamera sofort seine Tätig­keit, die Unfall­ge­fähr­dung ist damit auto­ma­tisch entschärft.
Der nächste Schritt: beyond­SPAI
Nach diesem Erfolg star­tete Norbert Jung ein darauf aufbau­en­des Projekt, das folge­rich­tig „beyond­SPAI“ heißt. Jung erklärt: „Geplant ist eine Weiter­ent­wick­lung des Kame­ra­sys­tems aus SPAI. Wir unter­su­chen ein neues Bild­ak­qui­se­ver­fah­ren, das gege­be­nen­falls die spektral-selektive aktive Beleuch­tung des Vorgän­gers über­flüs­sig macht und bisher gege­bene Bewe­gungs­ar­te­fakte weit­ge­hend unter­drückt. Das Erken­nungs­prin­zip der Haut durch ihre spek­trale Signa­tur werden wir aller-dings beibe­hal­ten und es entspricht jenem aus SPAI.“
Das Team um Profes­sor Jung wird bei beyond SPAI eine mehr­stu­fige, verzahnte Absi­che­rung imple­men­tie­ren, wobei es auf die intel­li­gente Verknüp­fung unter­schied­li­cher Sensor­tech­no­lo­gien spezi­ell auch im Nahbe­reich der Robo­ter setzt. Jung dazu: „Wir haben für den ersten Ansatz drei Über­wa­chungs­be­rei­che defi-niert: Naher, mitt­le­rer und ferner Bereich.“ Im Nah-Bereich wird eine Über­wa­chung des Robo­ters mit spezi­el­len (Punkt-)Sensoren ange­strebt, die einen die Akto­rik eng umge­ben­den Schutz­raum (max. ca. 0,5 m Abstand zum Robo­ter) aufspan­nen. Solche Senso­ren wurden in vorher­ge­hen­den Projek­ten bereits entwi­ckelt und einge­setzt. Direkt am Robo­ter montierte Senso­ren sollen einen Schutz­raum eng um die beweg­li­chen Teile des Systems über­wa­chen, wobei sowohl opti­sche Punktsen­so­ren direkt am Werk­zeug des Robo­ters als auch ein Netz aus Ultra­schall­sen­so­ren zum Einsatz kommen. Opti­sche Senso­ren ermög­li­chen die zuver­läs­sige Unter­schei­dung der rele­van­ten Mate­ri­al­ober­flä­chen und eignen sich, wie oben bereits beschrie­ben, spezi­ell zur Detek­tion von Haut anhand deren spezi­el­len Reflexions-Charakteristik im Nah-Infrarotbereich, der soge­nann­ten „spek­tra­len Signa­tur“. Zusam­men mit den Ultra­schall­sen­so­ren und etwai­gen weite­ren Sensor­ty­pen wird so eine mehr­fach redun­dante Über­wa­chung des nahen Gefah­ren­be­reichs direkt um den Robo­ter ermög­licht.
Im mitt­le­ren Bereich kommt dann das NIR-Kamerasystem zum Einsatz. Seine Aufgabe ist es, Teil­be­rei­che oder den gesam­ten Wirkungs­be­reich des Robo­ters bild­ge­bend zu erfas­sen. Das Kame­ra­sys­tem ist analog zu den opti­schen Senso­ren für den Nahbe­reich in der Lage, Haut mit einer hohen Robust­heit zu erken­nen. In diesem Fall werden spezi­elle Bild­ver­ar­bei­tungs­al­go­rith­men zur Erken­nung von Perso­nen durch die Hautinforma-tionen ergänzt, um die Silhou­ette von Menschen im Bild sicher zu erken­nen. Das System soll auf einem steu­er­ba­ren mobi­len Chas­sis montiert werden, um eine Ausrich­tung der Kamera auf einen situa­ti­ons­ab­hän­gig kriti­schen Gefah­ren­be­reich zu ermög­li­chen. Das Schutz­sys­tem entnimmt diesen Gefahrenbe-reich der Program­mie­rung des Robo­ters und den darin enthal­te­nen Infor­ma­tio­nen über die nächs­ten Aktio­nen. So können gezielt die jeweils nächste geplante Bewe­gung des Robo­ters über­wacht werden.
Im Fern­be­reich schließ­lich über­wa­chen grobe Posi­tio­nie­rungs­ver­fah­ren oder ein verteil­tes Kame­ra­sys­tem aus der Vogel­per­spek­tive eine gesamte Produk­ti­ons­halle mit mehre­ren Roboterarbeitszo-nen. Das ist aber für das Projekt­team im Vergleich zum nahen und mitt­le­ren Bereich nur von nach­ran­gi­ger Bedeu­tung.
Jung fügt hinzu: „Insge­samt soll das System so arbei­ten, dass in einem Gefähr­dungs­fall nach Möglich­keit nicht die komplette Ferti­gungs­li­nie anhal­ten muss, sondern nur der betrof­fene Robo­ter bis zu dem Zeit­punkt, wenn seine Senso­ren keine Gefähr­dung für Menschen im Gefah­ren­be­reich mehr anzei­gen.“
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