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Entering the work envelope of an industrial robot can lead to severe injury from collisions with moving parts of the system. Conventional safety mechanisms therefore mostly restrict access to the robot using physical barriers such as walls and fences or non-contact protective devices including light curtains and laser scanners. As none of these mechanisms applies to human-robot-collaboration (HRC), a concept in which human and machine complement one another by working hand in hand, there is a rising need for safe and reliable detection of human body parts amidst background clutter. For this application camera-based systems are typically well suited. Still, safety concerns remain, owing to possible detection failures caused by environmental occlusion, extraneous light or other adverse imaging conditions. While ultrasonic proximity sensing can provide physical diversity to the system, it does not yet allow to reliably distinguish relevant objects from background objects.This work investigates a new approach to detecting relevant objects and human body parts based on acoustic holography. The approach is experimentally validated using a low-cost application-specific ultrasonic sensor system created from micro-electromechanical systems (MEMS). The presented results show that this system far outperforms conventional proximity sensors in terms of lateral imaging resolution and thus allows for more intelligent muting processes without compromising the safety of people working close to the robot. Based upon this work, a next step could be the development of a multimodal sensor systems to safeguard workers who collaborate with robots using the described ultrasonic sensor system.
Kollaborative Industrieroboter werden für produzierende Unternehmen immer kosteneffizienter. Während diese Systeme für den menschlichen Mitarbeiter eine große Hilfe sein können, stellen sie gleichzeitig ein ernstes Gesundheitsrisiko dar, wenn die zwingend notwendigen Sicherheitsmaßnahmen nur unzureichend umgesetzt werden. Herkömmliche Sicherheitseinrichtungen wie Zäune oder Lichtvorhänge bieten einen guten Schutz, aber solch statische Schutzvorrichtungen sind in neuen, hochdynamischen Arbeitsszenarien problematisch.
Im Forschungsprojekt BeyondSPAI wurde ein Funktionsmuster eines Multisensorsystems zur Absicherung solcher dynamischer Arbeitsszenarien entworfen, implementiert und im Feld getestet. Kern des Systems ist eine robuste optische Materialklassifikation, die mit Hilfe eines intelligenten InGaAs-Kamerasystems Haut von anderen typischen Werkstückoberflächen (z.B. Holz, Metalle od. Kunststoffe) unterscheiden kann. Diese einzigartige Eigenschaft wird genutzt, um menschliche Mitarbeiter zuverlässig zu erkennen, so dass ein konventioneller Roboter in Folge als personenbewusster Cobot arbeiten kann.
Das System ist modular und kann leicht mit weiteren Sensoren verschiedenster Art erweitert werden. Es kann an verschiedene Marken von Industrierobotern angepasst werden und lässt sich schnell an bestehenden Robotersystemen integrieren. Die vier vom System bereitgestellten Sicherheitsausgänge können dazu verwendet werden - abhängig von der durchdrungenen Überwachungszone - entweder eine Warnung auszugeben, die Bewegung des Roboters auf eine sichere Geschwindigkeit zu verlangsamen, oder den Roboter sicher anzuhalten. Sobald alle Zonen wieder als „eindeutig frei von Personen“ identifiziert sind, kann der Roboter wieder beschleunigen, seine ursprüngliche Bewegung wiederaufnehmen und die Arbeit fortsetzen.