Safety mit Bildverarbeitung?

Schutzräume und Maschinen sicher mit Kameras zu überwachen und nicht wie bisher mit Lichtgittern bzw. Schutzzäunen, ist bereits seit längerem möglich. Welche Vorteile bieten diese Bildverarbeitungssysteme, was sagt der Anwender dazu und wie sieht das die Berufsgenossenschaft? Um das Thema näher zu beleuchten, fand auf der letzten SPS IPC Drives hierzu eine Podiumsdiskussion statt. Teilnehmer waren Thomas Bömer (IFA, Deutsche gesetzliche Unfallversicherung), Dr. Rüdiger Frank (Pilz) und Joseph Leibinger (Kuka Roboter).

Bild: Andreas Breyer

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Sind bisherige Sicherheitsansätze mit einem Schutzzaun bzw. Lichtgitter überholt, und werden in Zukunft Überwachungen von Schutzräumen oder Maschinen mittels Bildverarbeitung erfolgen?

T. Bömer: Natürlich sind die Ansätze von 'gestern', heute immer noch vielfach Stand der Technik. Es gibt aber eine klare Tendenz die dritte Dimension mit aufzunehmen. Dort spielen Aspekte wie Wirtschaftlichkeit und Flexibilität eine wichtige Rolle.

R. Frank: Die Kunden wünschen sich ein weiteres Tool in ihrer Tool-Box, um Applikationen besser realisieren zu können. Dort ist - neben Lichtschranken, Laserscannern oder anderen Schutzeinrichtungen - die sichere Bildverarbeitung ein Thema, das sicherlich zunehmen wird. Lichtschranken und Lichtgitter haben aber weiterhin ihre Daseinsberechtigung.

J. Leibinger: Heutige Kamerasysteme sind so neu, wie vor fünf oder acht Jahren Laserscanner oder Lichtgitter. Es wird aber auch in zehn Jahren noch Anlagen mit Robotern geben, bei denen Schutzzäune außen herum stehen.

Bild: Andreas Breyer

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Wo sind die Vorteile bildverarbeitender Sicherheitssysteme?

R. Frank: Zum einen können Kunden variabler reagieren, wenn eine Applikation häufig wechselt und Teile der Maschine ausgetauscht werden. Zum anderen kann man mehrere Bereiche simultan überwachen, weil die Verarbeitung deutlich komplexer gestaltet werden kann. Komplexere Schutzräume sind mit 3D-Bildverarbeitungssystemen deutlich besser möglich als mit bisherigen Sicherheitssystemen. Dazu kommt für manche Bereiche auch ein Kosten- und Produktivitätsfaktor hinzu.

T. Bömer: Eine Zukunftsvision ist, wenn ich gewisse Produktionsmittel in meine Prozesse rein lasse, z.B. eine Palette oder ähnliches, dass ich dort keine weiteren Sensoren mehr benötige, sondern mein bildverarbeitendes System so etwas direkt mit erledigt. Ich kann zudem mit einem solchen System, wenn das Sicherheitssystem eingreift und die Applikation abschaltet, die Bilder auch auswerten. Das ist allerdings heutzutage auch schnell ein Aspekt des Datenschutzes.

R. Frank: Eine weitere Möglichkeit ist, dass eine stärkere Interaktion mit dem Benutzer stattfinden kann. Ein Stichwort das einer unserer Kunden hier genannt hat, war die Installation ´virtueller Schalter'. Damit gebe ich - wenigstens in Ansätzen - dem Bediener eine gewisse Steuerungsmöglichkeit der Maschine frei, die man mit herkömmlichen Systemen nicht realisieren kann.

J. Leibinger: Der eigentliche Nutzeffekt liegt in der Flexibilität dessen, wie man so eine Anlage aufbauen kann. Wenn ich einen Schutzzaun habe, dann ist der Halter dafür im Boden festgeschraubt. Dort ist keine Flexibilität vorhanden. Lichtgitter sind in der Regel auch statisch montiert. Wenn ich ein 3D-basiertes Kamerasystem habe, kann ich dynamische Schutzbereiche, abhängig von der Gefährdungslage in einer Zelle, umschalten, verschieben, wegschalten oder zuschalten.

T. Bömer: Platz kostet Geld. Wenn Sie heutzutage Applikationen mit einem Laserscanner absichern, müssen Sie normative Sicherheitsabstände einhalten. Die Systeme erkennen Personen im Beinbereich, dann nimmt die normative Lage immer den vorgestreckten Arm an, der direkt in die Gefahrenzone eingreift. Wenn Sie zukünftig Kamerasysteme haben, die im Bereich der Auflösung Hände und Unterarme erkennen, ist das eine Platzersparnis und damit auch ein wirtschaftlicher Aspekt.

Wo werden die Systeme bisher eingesetzt?

R. Frank: Einsätze gibt es im Maschinenbau, Automobil- und Aerospace-Bereich. Konkrete Applikationen sind oft Nacharbeitsstationen, bei denen bislang eine Automatisierung mit den gängigen Systemen nicht möglich war. Eine andere Anwendung ist die sogenannte Stanztiegel-Applikation, bei der Kartonagen ausgestanzt werden. Es gibt dort viele automatische, aber auch immer noch handgeführte Stationen. Dort hat die 3D-Überwachung den Vorteil, da es nicht mehr möglich ist, wie bisher bei einer 2D-Scanner-Überwachung, dass jemand hinter eine Abschirmung geht und es so zu einem Unfall kommt.

Welche Bedeutung wird zukünftig die direkte Zusammenarbeit zwischen Roboter und Werker haben?

T. Bömer: Im Moment ist man eher in dem Bereich der kleinen Handling-Roboter unterwegs, also nicht bei den schweren Industrie-Robotern. Es sind in der Regel Montageprozesse, bei der die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter als Ergänzung sinnvoll ist.

J. Leibinger: Wenn wir heute von Robotern reden, dann meinen wir in der Regel eine Vollautomatisierung eines Prozesses. In dieser hat man manchmal viele Kopfstände gemacht, weil man die Vollautomatisierung hinter einem Zaun machen musste. Wenn man jetzt einen Menschen und mit Robotern zusammen arbeiten lassen könnte, dann wird manches einfacher. Heute gibt es zudem nach wie vor viele Arbeitsplätze, die auf Grund verschiedener Gründe rein manuell erfolgen. Auch dort ist es so, dass immer mehr Leute kommen und aus Qualitäts- oder Ergonomie-Gründen sagen: Wenn ich da einen Menschen und einen Roboter zusammen arbeiten lassen kann, dann hat dies Vorteile. Diese Kategorie der Robotik wird sicherlich zunehmen. Im Endeffekt wird aber nicht jede davon mit Bildverarbeitung gelöst werden.

Bild: Andreas Breyer

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Wie viele der begehbaren Roboter-Arbeitsplätze werden zukünftig eine Kamera-basierte Absicherung haben?

J. Leibinger: Die Kamera an sich macht nur bei den Applikationen Sinn, wo man Roboter mit großen Traglast-Klassen braucht und nicht Roboter, die für die sensible Zusammenarbeit entwickelt werden. Die Applikationen, die zusammen mit einem Menschen besser zu lösen wären, als vollautomatisiert, sind allerdings eine Nische im Gesamtsegment.

R. Frank: Die Bildverarbeitung in der sicheren Automation ist immer noch am Anfang. Es gibt sehr wenige Kamera-basierte Systeme auf dem Markt, die ein Sicherheitslevel haben. Es werden neue Sachen dazu kommen müssen, um Anwendungen auch in diesem Bereich dynamischer gestalten zu können. Insgesamt ist eine stärkere Verschmelzung der Komponenten Roboter und Sensorik, durch spezifizierte Schnittstellen notwendig, um deutlich mehr Anwendungen realisieren zu können.

T. Bömer: Wir dürfen aber nicht nur an den industriellen Bereich denken. In der Service-Robotik wird auch viel passieren. Es sind nicht nur stationäre Roboter im klassischen Bereich. Man denke nur an fahrerlose Transportfahrzeuge, zum Teil auch in öffentlichen Bereichen, wie in Krankenhäusern. Dort gibt es z.B. einen VDI-Arbeitskreis und eine klare Botschaft: Es muss 3D werden.

Besteht zwischen Sicherheit und Schnelligkeit solcher Systeme ein Problem?

T. Bömer: Wir von Seiten der Unfallversicherungsträger, also auch der Berufsgenossenschaften, sehen natürlich auch dieses Problem. Es ist grade eine Arbeit an der Universität Bonn veröffentlicht worden, die das Thema des erhöhten Stresses bei schnellen Robotern thematisiert. Wenn z.B. der Roboter seine Bahn variiert und der Werker nicht weiß, wohin es geht, dann erhöht das ganz klar den Stress. Wir sprechen da von psychischen Gefährdungen. Der Arbeitsplatz muss immer so gestaltet werden, dass diese nicht auftritt. Ich sehe auch einen anderen Zielkonflikt und zwar Sicherheit und Verfügbarkeit. Dieser taucht daher auf, dass Sie bei 3D ein sehr hohes Datenaufkommen haben, das heißt, dass Verfügbarkeit ein Thema wird, das sehr sensibel beachtet werden muss.

Bild: Pilz GmbH & Co. KG

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Wie sehen Sie das Potenzial dieser Lösungen für die nächsten fünf Jahre?

T. Bömer: Wir stehen erst am Anfang.

R. Frank: Wir bei Pilz glauben, dass die sichere Bildverarbeitung ein Potenzial hat. Wir haben neben einem 3D-Kamerasystem auch ein anderes sicheres Kamerasystem, das bezüglich der Verfügbarkeit sogar besser ist, als vergleichbare Wettbewerbsprodukte. Insgesamt wird es aber auf Grund der Anforderungen des Marktes - Stichpunkt Ergonomie - neben der erhöhten Produktivität und den neuen Fertigungstechnologien auch einen größeren Bedarf an sicherer Bildverarbeitung geben.

J. Leibinger: Ich denke auf dem Markt sind die Systeme aktuell sehr wenig vertreten. Wenn ich davon ausgehe, dass im Jahr ca. 100.000 Roboter auf der Welt neu installiert werden, dann sind sicher ganz wenige dabei, die mit so einem System ausgestattet sind. Das wird aber in Zukunft deutlich zunehmen. Allerdings nur für kleine Handlingsysteme, die bisher mit ganz anderen Schutzprinzipien als mit Kameras arbeiten, und große Systeme, bei denen das Kamerasystem eigentlich die einzige Lösung ist, die das Schutzprinzip 'Abstand halten' zwischen Roboter und Mensch als Sensorik flexibel beibringen kann. Was diese Systeme bisher gebremst hat, ist das Umfeld der Standardisierung der Robotersicherheit. Gegen Ende nächsten Jahres wird eine erste Ausprägung eines Papiers kommen, dass zu dem Punkt Bildverarbeitung konkrete Vorgaben formuliert, auch zu dem Sicherheitsprinzip des Abstands halten. Wir entwickeln derzeit einen Standard parallel zum Produkt. Normalerweise ist Standardisierung einfacher. Wir haben etwas zehn Jahre gemacht, und dann schreiben wir das auf. Allein die Tatsache aber, dass wir hier bereits seit etwa sechs Jahre an einem Standard arbeiten, zeigt den Bedarf und das Interesse.

Welche Hindernisse sehen Sie für den Einsatz der Systeme?

R. Frank: Wenn Applikationen flexibel und dynamisch gestaltet werden sollen, müssen die einzelnen Komponenten stärker miteinander verschmelzen, das heißt, Daten der Komponenten wie Roboter, Steuerung und Sensorik, müssen freigegeben und ausgetauscht werden, um das Ganze deutlich dynamischer zu gestalten.

T. Bömer: Die Performance eines sicheren Kamerasystems muss gewaltig sein. Wir haben heute Sicherheitslichtgitter mit Reaktionszeiten fast im einstelligen msec-Bereich. Das auf Kamerasysteme zu adaptieren wird schwierig. Wir erwarten Ansprechzeiten im msec-Bereich, dass Körperteile des Menschen erkannt werden und dass es nicht viel teurer ist als bisherige sichere Sensorik. Die Hardware wird aber immer leistungsfähiger. Wir haben bereits abgenommene sichere Betriebssysteme bis SIL4.

J. Leibinger: Wir haben heute auf der einen Seite die Sensorsysteme und auf der anderen die Roboter. Wenn dort ein Lichtgitter ist, dann ist dazwischen eine zweikanalige digitale Leitung. Das Lichtgitter reagiert relativ schnell und die Daten zu übertragen ist relativ simpel. Jetzt haben wir einen Sensor, der Positions- und Abstandsinformationen liefert. Es ist spannend, was man mit dieser Information anfangen möchte. Eigentlich bewegen sich Roboter heute immer noch auf vorprogrammierten Bahnen. Das heißt, wenn er eine Bahn nicht trifft, dann muss er weiterfahren und wenn der Mensch im Weg steht, dann muss er anhalten. Das wäre vielleicht mit dem was wir heute haben erreichbar, aber dafür ist ein gewisses Maß an Rechenleistung erforderlich. Wenn wir aber das machen wollen, wovon die Leute eigentlich träumen, dass wenn der Mensch da steht, der Roboter auch außen herum fahren könnte, dann bräuchte ich ein System, das auf Grund der Bilder und der einzuhaltenden Sicherheitszonen in der Lage ist, eine Bahnplanung für den Roboter zu ändern. Diese Rechenleistung in sicherer Technik dürfte noch einige Jahre brauchen.

Was wünschen Sie sich in Zukunft, damit das Thema noch erfolgreicher wird?

T. Bömer: Aus Sicht des Arbeitsschutzes wünschen wir uns Systeme, die in die bisherigen Arbeitsumgebungen integrierbar sind, flexible Produktion erlauben und in jeglicher Hinsicht sicher sind. 'Darf ein Roboter beliebig schnell agieren und auf eventuell unbekannte Bahnen ausweichen?', darauf müssen wir Antworten finden. Ich wünsche mir möglichst schnelle Systeme, die im Bereich der Handauflösung sind, denn dann wird auch ein entsprechender Erfolg da sein.

R. Frank: Zum einen wünsche ich mir leistungsfähige Hardware, um auch anspruchsvolle Algorithmen darüber laufen lassen zu können. Dann wünsche ich mir Schnittstellen, also die Verschmelzung der Komponenten zu einem System. Und zum Schluss wünsche ich mir, dass auch die Endanwender bildverarbeitende Systeme genauso anwenden wie andere Sicherheitssysteme.

J. Leibinger: Ich wünsche mir diesen Markt. Viele sagen, einen Roboter aus dem Zaun zu lassen, kommt überhaupt nicht in Frage. Es gibt aber auch Leute, die anfangen darüber nachzudenken, was sie mit solch einer Technik machen könnten. Das sind aber noch relativ wenige, weswegen der Markt auch noch sehr klein ist. Es braucht Leute, die sich trauen, damit etwas zu machen, dies aber verantwortungsvoll und verantwortungsbewusst. Denn mit so einer neuen Technik Erfahrung sammeln zu wollen, muss sehr konservativ angegangen werden. Das, was wir also am meisten brauchen, sind Leute, die damit umgehen können, und Applikationen finden, mit denen sie auch umgehen können.