Sichere Mensch-Roboter-Interaktion dank neuer Sensorik

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Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF

Das Fraunhofer-IFF in Magdeburg nimmt dabei eine führende Rolle ein und ist aktiv in allen relevanten Bereichen zur sicheren Mensch-Roboter-Interaktion tätig. Dazu zählen die Entwicklung von Sensoren zur Arbeitsraumüberwachung, zur Kollisions- und Annäherungsdetektion sowie von sicheren Roboterkinematiken. Darüber hinaus führt es wissenschaftliche Untersuchungen zu Mensch-Roboter-Kollisionen und deren Wirkung auf den Menschen durch.

ISO/TS 15066 beinhaltet auch biomechanische Kriterien

In der Technical Specification ISO/TS 15066 werden neben Vorgaben für die Risikobeurteilung auch technische und biomechanische Kriterien sowie ergonomische Aspekte für die Überprüfung von Roboterarbeitsplätzen hinsichtlich der Sicherheit betrachtet. Die Definition der Grenzwerte für Kollisionen zwischen Mensch und Roboter erfolgt in Abhängigkeit vom Verlauf der Stoßkraft, der Druckverteilung, den gefährdeten Körperregionen und der Art des Kontakts (Stoßen oder Klemmen).

Prinzipiell sind bei einem Stoß zwei Fälle zu unterscheiden. Beim klemmenden Stoß kommt es unmittelbar nach dem Stoß zum Einklemmen des Körperteils durch den Roboter. Beim freien Stoß erfolgt keine Klemmung. Für den Menschen geht die größte Verletzungsgefahr von einem klemmenden Stoß aus, weil die Maximalkräfte und -drücke bei vergleichbaren Roboterkollisionen für diesen Fall am höchsten sind. Bei der Gestaltung von Mensch-Roboter-Interaktionsarbeitsplätzen sollten daher perspektivisch Klemmstellen weitestgehend reduziert werden.

Gekoppeltes Pendels mit Kraftsensor ermöglicht Kollisionsmessungen

Gegenwärtig werden am Fraunhofer-IFF im Auftrag des Instituts für Arbeitsschutz (IFA) der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung die ersten Kollisionsuntersuchungen von freien und klemmenden Stößen mit Probanden durchgeführt. Dazu wurde am Fraunhofer-IFF ein neuartiges Messsystem auf Basis eines gekoppelten Pendels mit einem Kraftsensor entwickelt, das erstmalig Kollisionsmessungen an Probanden ermöglicht.

Das Ziel der Studie ist der wissenschaftliche Nachweis, dass Messergebnisse biofideler Kraftmessgeräte zur Messung klemmender Stoßfälle auf den freien Stoßfall übertragen werden können. Es handelt sich dabei um die erste Studie mit Probanden, die von der zuständigen Ethikkommission genehmigt wurde.

In der Studie wurde für ausgewählte Körpereinzelbereiche jeweils eine Korrekturfunktion entwickelt und parametriert, mit deren Hilfe abhängig von der Kollisionsgeschwindigkeit die wirkenden Kräfte des klemmenden Stoßfalls auf die wirkenden Kräfte des freien Stoßfalls umgerechnet werden können.

Weil die Kollisionskräfte für den freien Stoßfall bei gleichem Impulseintrag kleiner sind als bei dem klemmenden Stoßfall, lassen sich auf Grundlage der Korrekturfunktion die Verfahrgeschwindigkeiten der Roboter systematisch erhöhen, ohne dass dabei im Falle einer Kollision mit einem Menschen die biomechanischen Grenzwerte überschritten werden. Perspektivisch sollen die Korrekturfunktionen in die relevante Norm ISO/TS 15066 einfließen.

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