Mensch-Roboter-Kollaboration in cyber-physischen Arbeitsumgebungen

Pierre T. Kirisci, Jürgen Pannek, Zied Ghrairi, Klaus-Dieter Thoben und Michael Lawo

Zukunftsweisende Arbeitsumgebungen sind durch vernetzte, kooperierende Objekte charakterisiert. Die Eigenschaften dieser sogenannten cyber-physischen Systeme (CPS) beinhalten die Erfassung, Speicherung, intelligente Verarbeitung und Kommunikation von Daten. Hieraus ergeben sich neue Interaktions- und Kollaborationsmöglichkeiten in der Mensch-Technik-Interaktion. Dieser Beitrag behandelt technische und organisatorische Herausforderungen eines robusten Schutz- und Sicherheitssystems für den Einsatz in einer Mensch-Roboter-Kollaboration. Bekannte Anforderungen für ein integriertes Sicherheitskonzept der Mensch-Roboter-Kollaboration sowie der funktionalen Sicherheit von Maschinen und elektronischen Systemen werden identifiziert und eine Referenzarchitektur am Beispiel halbautomatischer Montageprozesse entwickelt.

Arbeitsumgebungen der Zukunft werden sich durch die Existenz interagierender und vernetzter Objekte auszeichnen, die heute unter dem Begriff cyber-physischer Systeme (CPS) bekannt sind. Dabei stellen die Objekte einer Arbeitsumgebung physische oder virtuelle Entitäten wie etwa Maschinen, Anlagen, Werkzeuge oder Applikationen dar. 

Edward A. Lee definiert cyber-physische Systeme (CPS) als Integration von Datenverarbeitung mit physischen Prozessen. Laut dieser Definition überwachen und steuern eingebettete Computer und Netzwerke die physischen Prozesse. Dies geschieht in der Regel mit Rückkopplungsschleifen, wo die physischen Prozesse die Datenverarbeitung beeinflussen und umkehren. 

Weiterhin werden CPS beschrieben als die Kopplung von informations- und softwaretechnischen (virtuellen) Komponenten mit mechanischen bzw. elektronischen (physischen) Komponenten, die über eine Kommunikationsinfrastruktur in Echtzeit miteinander kommunizieren [2]. Dabei kann die Kommunikationsinfrastruktur u. a. auf einem offenen, globalen Informationsnetzwerk oder  auf einem firmeninternen, sicheren Informationsnetzwerk basieren. Auf Grundlage dieser Definitionen stellen cyber-physische Arbeitsumgebungen, industrielle Arbeitsumgebungen dar, die sich durch das Vorhandensein cyber-physischer Systeme auszeichnen.  


Bild 1: Interaktion zwischen Mensch und Roboter
in cyber-physischen Arbeitsumgebungen.
Eine Kollaboration zwischen Menschen und technischen Systemen (z. B. Roboter) ist in cyber-physischen Arbeitsumgebungen grundsätzlich dort möglich, wo sich deren Arbeitsbereiche überschneiden bzw. zusammengeführt sind.  Die Zusammenführung der Arbeitsbereiche von Mensch und Roboter (Bild 1) verspricht somit mehr Flexibilität und Produktivität durch eine Echtzeitanpassung der Arbeitsprozesse einer cyber-physischen Arbeitsumgebung. Aufgrund fehlender intelligenter Reaktionsmöglichkeiten ist das in derzeitigen Arbeitsumgebungen nicht möglich.

Neben verbesserten und neuen Interaktions- und Kollaborationsmöglichkeiten führt dies allerdings auch zu erweiterten Anforderungen für Schutz- und Sicherheitskonzepte. Im Gegensatz zu den derzeit separierenden passiven Schutzsystemen sind hierzu aktive kontext-
orientierte Systeme nötig (Bild 2). Der aktive, integrierte und allgegenwärtige Schutz des Menschen muss gewährleistet werden. Die angestrebte Lösung darf den Produktionsprozess zur Wahrung der Produktivität nicht unterbrechen. Vielmehr soll sie in getakteten Prozessen den trennenden Sicherheitsakt einsparen. 


Industrielle Sicherheits- und Schutzsysteme 

Aktuelle Sicherheits- und Schutzsysteme in Arbeitsumgebungen trennen die beteiligten Akteure (Werker, Maschinen, Anlagen, Prozesse) entweder voneinander, um Gefährdungen zu vermeiden, oder schützen jeweils autonom. Die Trennung von Werker und Anlage führt zu einer eingeschränkten Flexibilität im Produktionsablauf. Autonomer Schutz des Werkers und von Anlagenteilen werden beispielsweise durch das Tragen persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und durch technische Einrichtungen wie Überspannungsschutz oder Überdruckventile realisiert. 

Die Absicherung gefährlicher Arbeitsbereiche mithilfe von körpergetragenen RFID-Transpondern hat sich bereits bis zur Marktreife entwickelt. So bietet die Fa. U-Tech [3] ein System an, mit dem sich gefährliche Arbeitsmittel beim Eintritt in den Gefahrenbereich stoppen lassen. Zutrittsberechtigungen auf Basis von RFID-Portalen hat Helmus im Baugewerbe zum Einsatz gebracht [4].

Ein als Sicherheitstechnik bereits zertifiziertes System ist das „SafetyEye“ der Fa. Pilz [5] zur dreidimensionalen Gefahrenbereichsüberwachung mittels Stereokameras. Die Systeme arbeiten mit vergleichbar groben Einteilungen von Gefahrenbereichen. Eine Anpassung der Robotersteuerung an die Bewegung einzelner Körperteile ist hiermit nicht möglich.


Bild 2: Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen 
für verschiedene Arbeitsumgebungen.


Anforderungen an eine CPS-basierte Schutz- und Sicherheitslösung 

Kollaborationstätigkeiten in cyber-physischen Arbeitsumgebungen erfordern die Realisierung einer kontextsensitiven Sicherheitslösung, um die Anwesenheit des Menschen im Arbeits- und Bewegungsbereich des Industrieroboters ohne Gefährdungen zu erlauben. Wearable Computing bietet eine solche Lösung: Durch die Integration vernetzter körpergetragener Sensoren in typische Arbeitskleidung lassen sich Relativ- und Absolut-Positionen einzelner Körperteile des Werkers bestimmen und mit bewährter und zertifizierter Sicherheitstechnik zu einem robusten System kombinieren, zu steigern durch Redundanz verschiedener Sensoren [6].

Dadurch ist es möglich, ein Sicherheitsniveau zu erreichen, welches für die Mensch-Roboter-Kollaboration gemäß DIN EN ISO 10218-2 gefordert wird [7, 8]. Letztere geht insbesondere auf spezifische Gefahren bezüglich der gesamten Roboteranlage ein, während die ISO/TS 15066 die Aspekte der Risikoverteilung bei einer Mensch-Roboter-Kollaboration behandelt [9].


Bild 3: Gefahren, Sicherheitsanforderungen und Richtwerte
bei der Mensch-Roboter-Kollaboration nach normativen
Anforderungen EN ISO 10218-1, 10218-2 und ISO TS 15066.

Auf dieser Grundlage werden in Bild 3 Gefahren, Sicherheitsanforderungen und Richtwerte bei der Mensch-Roboter-Kollaboration wiedergegeben.

Darüber hinaus ist die Einhaltung eines Sicherheitsabstands nach EN ISO 13855 erforderlich, der sich aus deterministischen Kenngrößen von Mensch und Roboter sowie Abschätzungen für Unsicherheiten ergibt [10]. Mithilfe dieser Richtwerte und Normen können technische Anforderungen für ein geeignetes integriertes Schutz- und Sicherheitssystem abgeleitet werden. In Bild 4 sind exemplarisch fünf Hauptanforderungen und technische Maßnahmen aufgeführt. 


Bild 4: Technische Anforderungen und Maßnahmen.

Technisches Konzept und Architektur

Die Anforderungsliste aus Bild 4 verdeutlicht, dass zur Umsetzung einer Schutz- und Sicherheitslösung für CPS sowohl die Vernetzung der einzelnen Komponenten als auch Wissen über die jeweiligen Zustände, Dynamiken und deren Zusammenspiel notwendig ist. In Bild 5 ist die angestrebte cyber-physische Arbeitsumgebung während eines halbautomatischen Montageprozesses als CAD Modell dargestellt.  

Auf der technischen Ebene müssen folglich Kontextmodelle des Benutzers, der Umgebung, der Tätigkeiten und Interaktionen ermittelt werden. Die Verknüpfung dieser Modelle erlaubt Aussagen über den aktuellen Zustand beteiligter Akteure. Entstehende Gefährdungssituationen müssen antizipiert und entsprechende Gegenmaßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. 


Bild 5: CAD-Modell der cyber-physischen Arbeitsumgebung
bei der Mensch-Roboter-Kollaboration in einem
halbautomatischen Montageprozess.

Für die Mensch-Roboter-Kollaboration ist in Bild 6 ein aus der Anforderungsliste abgeleitetes Konzept einer geeigneten Schutz- und Sicherheitslösung dargestellt. Die Zusammenhänge zwischen Konzept und Anforderungsliste werden im Folgenden erläutert.

Das Mensch-Roboter System beinhaltet drei Blöcke, die jeweils mit einem Industrie-PC kommunizieren. Im ersten Block befinden sich die Industrieroboter und andere automatisierte Einrichtungen wie etwa Förderbänder. Der Mensch, mit der aktiven Schutzweste ausgestattet, stellt den zweiten Block dar. Der dritte Block umfasst festpositionierte Überwachungssensoren und Aktoren. 

Die Kommunikation zwischen dem Industrie-PC und den drei Blöcken verläuft bidirektional, auf Basis verschiedener Schnittstellen und bis auf die Schutzweste ausnahmslos kabelgebunden. Um Stabilität und Datensicherheit zu gewährleisten, werden ProfiNet / ProfiSafe /openSafety Standards für kabelgebundene Verbindungen verwendet. Zur Sicherstellung der Bewegungsfreiheit ist eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Menschen und dem Industrie-PC notwendig. Um lange Laufzeiten zu ermöglichen, müssen die in der Schutzweste eingesetzten Komponenten energiesparend sein. Aufgrund des niedrigen Energieverbrauchs und der großen Reichweite ist der ZigBee Standard hierfür geeignet. Ebenso muss die Datenübertragung ausfallsicher und störungsresistent sein, um Fehlersicherheit in der Kommunikation zu gewährleisten.

Empfangen und ausgewertet werden die Daten aller drei Blöcke von einem Industrie-PC (I-PC). Je nach Anbindungsart werden die analogen Signalströme der externen Sensoren bereits am Eingang über einen A/D-Wandler oder für den Roboter über das BUS-System in digitalen Bitstrom konvertiert.

Nach einer einheitlichen Vorverarbeitung werden die Daten in einem gemeinsamen Speicherregister abgelegt, das sowohl statische als auch variable Werte enthält. Das Speicherregister kann beispielsweise in Form einer XML-Tabelle umgesetzt werden. Das Modell der Arbeitsumgebung beschreibt die Installation und gibt Position und Ausrichtung der stationären Objekte vor. Im Speicherregister werden alle gesammelten Daten abgelegt. Vor Inbetriebnahme eingetragene Daten werden aus den drei zuvor benannten Blöcken ergänzt. In der Installationsumgebung festpositionierte Objekte, wie etwa Tische und Regale, werden einmalig vermessen und in dem Register des Programms abgelegt. Die Daten tragen je nach Typ Informationen, wie etwa Koordinaten, Positionsangaben, die Ausrichtung oder im Falle des Menschen dessen Erfahrungslevel mit dem System. Ein entkoppelter Programmprozess sammelt im Speicherregister zuvor spezifizierte Daten der Eingänge. Die Geschwindigkeit dieses Prozesses orientiert sich im Allgemeinen nicht an der Möglichkeit der Sensormodule Daten zu liefern. Vielmehr muss eine zeitliche Entkopplung zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein Datenabbild des Systems liefern, um die funktionale Sicherheit zu ermöglichen.

Die im Speicherregister hinterlegten Daten werden in ein einheitliches globales Koordinatensystem umgerechnet. Durch Filteralgorithmen wird der benötigte Systemzustand ermittelt. Die Verarbeitung der gesammelten Daten greift zeitlich entkoppelt auf den gemeinsamen Speicher der Sensorik zu, um Multiskalenmethoden zur Verbesserung der Zustandsschätzung zu nutzen, die unabhängig von der Abrufgeschwindigkeit der Sensoren sind. Datengenerierung und Datenfilterung sind in der Abarbeitung ihrer Aufgaben nicht synchronisiert. Die technische Anforderung der Positionsbestimmung zu beliebigen Zeitpunkten ist somit erfüllt.


Bild 6: Konzeptarchitektur und Kommunikationsablauf
der Schutz- und Sicherheitslösung.

Die Klassifizierung des jeweils aktuellen Zustands wird mittels einer Logik in Steuerbefehle umgerechnet, die Ergebnisse der Bewertung eines Zustands liefert. Die Bewertung erfolgt a priori etwa auf Basis einer Schutz- und Risikoabschätzung simulierter Daten des Mensch-Roboter Systems für ein Raster aller möglichen Situationen, die in einer Datenbank abgelegt werden. Dies erlaubt eine vorausschauende Visualisierung und Validierung von Arbeitsabläufen, womit die Kriterien Prognose von Gefahrensituationen, Bremsfähigkeit und Einhaltung eines Sicherheitsabstands erfüllt sind. In der Realisierung stellt die Logik eine Datenbankabfrage von Steuerbefehlen dar, die die Echtzeitforderung des Sicherheitssystems erfüllt. Diese Befehle werden zur Umsetzung an die SPS des Roboters (Block eins) zurückgeführt, wodurch sich eine geschlossene Regelkette mit Vorsteuerung ergibt. Die SPS kann als Soft-SPS auf dem IPC oder als reale SPS implementiert sein. Über die Feldbuserweiterungen der SPS oder Soft-SPS wird die Kommunikation zum Roboter und anderen Antrieben realisiert.


Zusammenfassung und Ausblick

Die technischen und organisatorischen Anforderungen eines robusten Schutz- und Sicherheitssystems für Mensch-Roboter-Kollaboration sowie der funktionalen Sicherheit von Maschinen und elektronischer Systeme wurden anhand industrieller Standards abgeleitet. Am Beispiel eines halbautomatischen Montageprozesses wurde dieser Kriterienkatalog zum Entwurf einer Referenzarchitektur genutzt. Das Alleinstellungsmerkmal ist die Herausforderung scharfer Sicherheitsanforderungen bei einer Mensch-Roboter-Kollaboration mit Schwerlastrobotern in einem realen Montageprozess. In der nächsten Phase steht die reale Umsetzung der vorgeschlagenen Schutz- und Sicherheitslösung im Vordergrund. Hierzu gehört der sensorbasierte Schutzanzug, die Sensorik in der Roboterzelle, das Kontextmodel der cyber-physischen Arbeitsumgebung, die Schutz- und Sicherheitsdienste und die sichere Kommunikation. Neben der reinen technischen Machbarkeit stellt die industrielle Konformität eine wesentliche Herausforderung dar. Letztere wird entscheidend für die Akzeptanz und Vermarktung der Schutz- und Sicherheitslösung sein.

 

 

Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Projekts „InSA – Integrierte Schutz- und Sicherheitssysteme in cyberphysischen Arbeitsumgebungen“, das von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) unter dem Kennzeichen FKZ 01MA13010A gefördert wird.

 

Schlüsselwörter:

Cyber-physische Systeme (CPS), Mensch-Roboter-Kollaboration, Sicherheit, Kontextorientierung

Literatur:

[1] Lee, E. A.: Cyber Physical Systems: Design Challenges, Technical Report No. UCB/EECS-2008-8. URL: http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2008/EECS-2008-8.html, Abrufdatum 25.09.2014.
[2] Geisberger, E.; Broy, M.: Agenda CPS – Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems (acatech Studie). Springer Verlag. Heidelberg 2012.
[3] URL: http://u-tech-gmbh.de, Abrufdatum 25.09.2014.
[4] Helmus, M.; Nisancioglu, S.; Offergeld, B.; Sachs, O. (Hrsg): Arbeitsschutz im Bauwesen mit RFID. Wiesbaden 2010.
[5] URL: https://www.pilz.com, Abrufdatum 25.09.2014.
[6] Lawo, M.; Xing, X.; Boronowsky, M.; Herzog, O.: Wearable Computing in Europe – wearIT@work. In: Communications of the China Computer Federation 7 (2011) 8, S. 18.
[7] DIN EN ISO 10218-2: Industrie-
roboter – Sicherheitsanforderungen, Teil 2: Robotersysteme und Integration. Berlin 2012.
[8] VDMA-Positionspapier: Sicherheit bei der Mensch-Roboter-Kollaboration. URL: http://www.die-roboter.de/fileadmin/content/images/news/logos/ R_A_Sicherheit_D_kor4.pdf, Abrufdatum 05.12.2014).
[9] ISO/TS 15066: Robots and robotic devices – Collaborative robots (under development). Genf 2011.
[10] DIN EN ISO 13855: Sicherheit von Maschinen – Anordnung von Schutzeinrichtungen im Hinblick auf Annäherungsgeschwindigkeiten von Körperteilen. Berlin 2010.