Diplomarbeit - Pedro Silva Inácio - Recherche alternativer Sensoren für ein Überwachungssystem im...

Recherche alternativer Sensoren für ein Überwachungssystem im Rahmen der Mensch-Roboter-

Kooperation in einer flexiblen Montagezelle

Diplomarbeit zur Erlangung des Diplomingenieurgrads der Fakultät für Automatisierung und Systeme (DAS)

der Bundesuniversität von Santa Catarina, Brasilien (UFSC)

Vorgelegt von Pedro Silva Inácio

Stuttgart, November 2002

Recherche alternativer Sensoren für ein Überwachungssystem im

Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation in einer flexiblen Montagezelle

Pedro Silva Inácio

Dipl.-Ing. Stefan Thiemermann Betreuer am Fraunhofer IPA

Prof. Dr. Eng. Daniel Juan Pagano Betreuer der UFSC

Prof. Dr. Eng. Augusto Humberto Bruciapaglia Verantwortlicher des Diplomarbeitsfachs

Eidesstattliche Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich zur Anfertigung vorliegender Arbeit keine fremde Hilfe in Anspruch genommen habe und keine anderen als die angegeben Hilfsmittel und Quellen verwendet habe.

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Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei all denen bedanken, die mich während der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben, insbesondere bei Herrn Dipl.-Ing. Stefan Thiemermann seitens des IPA Stuttgart und Herrn Prof. Dr. Eng. Daniel Juan Pagano seitens der UFSC für die Betreuung während der letzten sechs Monate.

Diese Arbeit wäre ohne die Mithilfe einiger Menschen in der vorliegenden Form nicht möglich gewesen. Allen voran möchte ich meiner Familie danken, für ihre geduldige Unterstützung und nachhaltige Motivation.

Die anderen Hiwis, Praktikanten und Diplomanden verdanke ich aus vielen Gesprächen wichtige Anregungen und Korrekturen.

Ferner bei allen meinen Kollegen aus Brasilien bzw. Deutschland für die Ermutigung und Freundschaft während meines Studiums.

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Kurzfassung

Die Idee der direkten Mensch-Roboter-Kooperation ist die Aufhebung der strikten Trennung von Roboter- und Werkerarbeitsplatz und somit die Bündelung von manuellen und automatischen Kapazitäten in einem Arbeitsplatz.

Dies ermöglicht eine optimale Kombination der spezifischen Fähigkeiten des Menschen (vor allem Handhabungsflexibilität) und des Roboters (vor allem Produktivität und reproduzierbare Qualität).

Die Mensch-Roboter-Kooperation wird an einer kooperierenden Montagezelle realisiert, in der eine Überwachungssystem zur Garantierung der Arbeitssicherheit notwendig ist.

Diese Forschungsarbeit hat als Ziel die Recherche und Realisierung eines alternativen Überwachungsverfahrens für das bestehende Kamera-Überwachungssystem.

Als alternatives Überwachungssystem werden vor allem Infrarotsensoren betrachtet.

iv

Abstract

The Idea of direct man-robot cooperation is to remove the strict separation of man and robot work stations and to combine manual and automatic capabilities in one work station.

This makes possible an optimal combination of the specific abilities of humans (handling flexibility) and robots (productivity and reproducible quality).

The man-robot cooperation is implemented in a flexible cooperation assembly cell, where an intelligent safety system should guarantee human safety.

The goal of this work is the research and implementation of an alternative safety system to the existing camera control system in the assembly cell.

Attention is given to an alternative safety system using infrared sensors.

v

Inhaltverzeichnis

Danksagung iii

Kurzfassung iv

Abstract v

Inhaltverzeichnis vi

Bildverzeichnis ix

Vorstellung des Unternehmens xi

Kapitel 1: Einführung 1

1.1 Zielsetzung der Diplomarbeit 1

1.2 Methodik 2

1.3 Zeitlicher Verlauf der Diplomarbeit 2

Kapitel 2: Mensch-Roboter-Kooperation 4

2.1 Potenziale einer kooperierenden Arbeit 5

2.2 Planung eines kooperierenden Arbeitsplatzes 5

2.3 Aufbau der Kooperationszelle 6

2.4 Aufbau des Überwachungssystems 6

2.4.1 Arbeitsablaufüberwachung der Kooperation 8

2.4.2 Arbeitsraumüberwachung 8

2.4.3 Arbeitspunktüberwachung 9

2.5 Versuchsanlage team@work 9

2.5.1 Montageanlageteile 10

Kapitel 3: Arbeitssicherheit 12

vi

Inhaltverzeichnis

3.1 Grundlagen 12

Kapitel 4: Bestehendes Überwachungssystem 14

4.1 Videokameras mit Bildverarbeitung 14

4.1.1 Einsatz in der Montagezelle 14

4.2 Vor- und Nachteile 17

Kapitel 5: Alternatives Überwachungssystem 18

5.1 Konzeptlösung 18

5.2 Anforderungen an die Sensoren 19

Kapitel 6: Ultraschallsensoren 20

6.1 Die Grundlagen der Ultraschallwellen 20

6.1.1 Schallgeschwindigkeit 21

6.2 Einsatzmöglichkeit an die Mensch-Roboter-Montagezelle 22

Kapitel 7: Versuchen und Auswertung der US-Sensoren 23

Kapitel 8: Infrarotsensoren 26

8.1 Die Physikgrundlagen der Infrarotstrahlung 26

8.1.1 Die Infrarotstrahlung 26

8.1.2 Die Natur der Wärmestrahlung 29

8.2 Sensortechnik 35

8.2.1 Das Messprinzip der Infrarot-Messung 35

8.2.2 Infrarotsensorentype 36

8.3 Auswahlkriterien zur Infrarotsensorauswahl 37

8.3.1 Welcher Temperaturbereich soll gemessen werden? 37

8.3.2 Aus welchem Material besteht das Messobjekt? 38

8.3.3 Füllt das Messobjekt den Messfleck aus? 39

8.3.4 Welchen Spektralbereich soll benutzt werden? 40

8.3.5 Wie schnell bewegt sich das Messobjekt? 41

vii

Inhaltverzeichnis

Kapitel 9: Versuchen und Auswertung der IR-Sensoren 44

9.1 IR-Sensor OMEGA IN300 44

9.1.1 Technische Daten 44

9.2 IR-Sensor OMEGA OS1551 47


9.3 IR-Sensor HEITRONICS KT22 51


Kapitel 10: Zusammenfassung und Schlusswort 54

10.1 Ausgewählter Infrarotsensor 54

10.2 Realisierung der Konzeptslösung 54

10.2.1 Datentransfer 55

10.3 Schlusswort 56

Quellenverzeichnis 58

Anhang A: Übersicht des gesamten Systems 60

viii

Bildverzeichnis

Abb. 2-1: Potenziale der kooperierenden Arbeit 5

Abb. 2-2: Kooperationsarbeitsplatz 6

Abb. 2-3: Betriebsmodi der Kooperation 7

Abb. 2-4: Arbeitsraumüberwachung 8

Abb. 2-5: Arbeitspunktüberwachung 9

Abb. 2-6: Versuchsanlage team@work 10

Abb. 2-7: Montagezelleanteile 10

Abb. 4-1: Anordnung der Kameras oberhalb des Werkers 14

Abb. 4-2: Schematischer Aufbau des Bildverarbeitungssystems 15

Abb. 4-3: Livebild und Ergebnisbild 16

Abb. 5-1: Lösungskonzept 18

Abb. 6-1: Schallausbreitung bei US-Sensoren 20

Abb. 6-2: Ultraschallüberwachung 22

Abb. 7-1: US-Sensor (Pepperl+Fuchs) 23

Abb. 7-2: Messungen: 10 cm Abstand (US-Sensor) 24

Abb. 7-3: Messungen: 20 cm Abstand (US-Sensor) 25

Abb. 8-1: Der elektromagnetische Spektrum 27

Abb. 8-2: Die Transparenz der Erdatmosphäre 29

Abb. 8-3: Absorption, Reflexion und Transmission 31

Abb. 8-4: Schwarzer Körper 32

Abb. 8-5: Plancksche Kurve 35

Abb. 8-6: Messprinzip eines elementaren Infrarotsensors 36

Abb. 8-7: Körpertemperatur 38

Abb. 8-8: Messfleck des Infrarotsensors 39

Abb. 8-9: Optisches Diagramm eines Infrarotsensors 40

ix

Bildverzeichnis

Abb. 8-10: Intensitätsmaxima und Temperaturbereich 41

Abb. 8-11: Anforderung an die Ansprechzeit 42

Abb. 9-1: IR-Sensor (OMEGA IN300) 44

Abb. 9-2: Optisches Diagramm des IN300-Sensors 45

Abb. 9-3: Messungen: 10 cm Abstand (OMEGA IN300) 46

Abb. 9-4: Messungen: 20 cm Abstand (OMEGA IN300) 46

Abb. 9-5: IR-Sensor (OMEGA OS1551) 47

Abb. 9-6: Optisches Diagramm des OS1551-Sensors 48

Abb. 9-7: Messungen: 10 cm Abstand (OMEGA OS1551) 49

Abb. 9-8: Messungen: 20 cm Abstand (OMEGA OS1551) 49

Abb. 9-9: Messungen: 1 m Abstand (OMEGA OS1551) 50

Abb. 9-10: Messungen mit Kleidung (OMEGA OS1551) 50

Abb. 9-11: IR-Sensor (KT22) 51

Abb. 9-12: Optisches Diagramm des KT22-Sensors 52

Abb. 9-13: Messungen: 10 cm Abstand (Heitronics KT22) 52

Abb. 9-14: Messungen: 20 cm Abstand (Heitronics KT22) 53

Abb. 10-1: Blockstruktur des Systems mit IR-Sensoren 55

Abb. 10-2: Visualisierungs- und Diagnosetool 56

x

Vorstellung des Unternehmens

Die Fraunhofer-Gesellschaft

In Deutschland ist die Fraunhofer-Gesellschaft (FhG) die führende Organisation für angewandte Forschung. Die 1949 als gemeinnütziger Verein gegründete Gesellschaft beschäftigt in 56 Forschungseinrichtungen an Standorten in der gesamten Bundesrepublik über 11000 Mitarbeiter. Weltweit ist die FhG in Asien und Amerika tätig. Ihren Namen verdankt die FhG dem Forscher, Erfinder und Unternehmer Joseph von Fraunhofer [17].

Die FhG richtet ihre Forschungsarbeiten auf folgende Fachgebiete:

Werkstofftechnik, Bauteilverhalten;

Produktionstechnik, Fertigungstechnologie;

Informations- und Kommunikationstechnik;

Mikroelektronik, Mikrosystemtechnik;

Sensorsysteme, Prüftechnik;

Verfahrens-, Energie- und Bautechnik;

Umwelt und Gesundheitsforschung;

Technisch-ökonomische Studien, Informationsvermittlung.

Biotechnologie.

Fraunhofer-Institut IPA

Das im Jahr 1959 gegründete Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) mit Sitz in Stuttgart (Abbildung auf nächster Seite) gehört zu den ersten Instituten der FhG und ist heute ihr größtes Institut. Aktuell sind über 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern für das Institut tätig, das 2001 einen Betriebshaushalt von ca. 32 Millionen Euro erzielte [1].

xi

Vorstellung des Unternehmens

Fraunhofer IPA – Stuttgart

Das Fraunhofer-Institut IPA ist in fünf Bereiche organisiert, die sich mit Unternehmensmanagement, Automatisierungssysteme und Produktionstechniken beschäftigen. Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des IPA konzentrieren sich auf organisatorische und technologische Aufgabenstellungen aus dem Produktionsbereich von Industrieunternehmen [18]. Arbeitsschwerpunkte hat das IPA in dem nachfolgenden Spektrum:

Unternehmensplanung und -steuerung;

flexible Handhabungs-, Montage- und Industrierobotertechnik;

Qualitätssicherung;

Oberflächentechnik;

Mikrosystemtechnik.

Die Projekte zielen darauf ab, Automatisierungs- und Rationalisierungsreserven aufzuzeigen und mit umweltfreundlicheren, verbesserten und kostengünstigeren Produktionsabläufen sowohl die Wettbewerbsfähigkeit als auch Arbeitsplätze in den Unternehmen zu erhalten und zu verbessern.

Abteilung Montagesysteme

In Abteilung Montagesystem werden Lösungen realisiert, die die Entwicklung neuer innovativer Montagetechnologien unterstützen. Diese werden notwendig aufgrund der hohen Produktivität und Flexibilität, die der Markt erfordert.

xii

Kapitel 1: Einführung

Im Rahmen meiner Diplomarbeit am Fraunhofer IPA erfasste ich einen allgemeinen Einblick der Struktur eines deutschen Forschungsinstituts und auch eine Einsicht der wissenschaftlichen Aspekte einer Forschungsarbeit, deren Ziel die Nachforschung und Realisierung eines alternativen Überwachungsverfahrens zur Garantierung der Arbeitssicherheit in einer Montagezelle ist.

Die Randbedingungen in der Produktion erfordern eine immer höhere Produkt- und Stückzahlflexibilität der Produktionsanlagen. Die existierende Trennung von manuellen und automatisierten Arbeitsplätzen ist eine der großen Barrieren zu einer kompletten Flexibilisierung der verschiedenen Produktionsprozesse.

Dabei zeigt sich sehr deutlich, dass eine Zusammenarbeit von Mensch und Roboter viel wirksamer im Einsatz ist. Aus Sicherheitsgründen müssen Menschen und Roboter trotzdem bislang strikt voneinander getrennt in der Fabrikhalle arbeiten.

Im Hinblick auf diese Tatsachen bemühen sich die Fraunhofer-Institute IPA (Stuttgart) und IPK (Berlin) darum, innovative Ansätze im Montage- und Sicherheitsbereich zu finden. Ein Ansatz ist ein gemeinsamer Arbeitsplatz für Mensch und Roboter, in dem beide am gleichen Produkt arbeiten. Damit können die Aufgaben flexibel verteilt werden, um die Fähigkeiten von Mensch und Roboter optimal einsetzen zu können.

Um die Idee einer direkten „Mensch-Roboter-Kooperation“ zu demonstrieren, wird am Fraunhofer IPA die Versuchsanlage „team@work“ aufgebaut.

Es ergeben sich zwei Entwicklungsaspekte für die Realisierung der Mensch-Roboter-Kooperation. Einerseits muss der Aufbau einer „Kooperationszelle“, in der Mensch und Roboter gemeinsam und optimal arbeiten können, entwickelt werden, anderseits ein Überwachungssystem, das die Arbeitssicherheit von Mensch und Roboter garantiert.

1.1 Zielsetzung der Diplomarbeit

Folgende Punkte werden im Rahmen dieser Arbeit bearbeitet:

Analyse der Montagezelle in Bezug auf bestehende Überwachungssysteme;

Recherche alternativer Sensoren für ein Überwachungssystem im Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation in einer flexiblen Montagezelle 1


Gegenüberstellung gängiger Sensoren im Überwachungsbereich;

Konzeption einer Überwachungsarchitektur in der Montagezelle;

Inbetriebnahme einzelner Sensoren im Gesamtsystem.

1.2 Methodik

Diese Diplomarbeit beinhaltet Recherche, Überprüfungs- und Realisierungsaspekte. Für die Recherche wird die Literatur am Ende querverwiesen. Für die Überprüfung werden verschiedene Sensoren in Bezug auf die Anforderung geprüft und für die Realisierung wird der Sensor an der Montagezelle angebracht und die Programmierung aktualisiert. Der Regelungscode basiert auf der C++ Programmierungssprache.

Nach der Erkennung des bestehenden Überwachungsproblems werden die verschiedenen möglichen Lösungen überprüft, damit das alternative Überwachungssystem implementiert werden kann.

1.3 Zeitlicher Verlauf der Diplomarbeit

Tabelle 1-1 zeigt die folgenden durchgeführten Tätigkeiten vom 1. Juni 2002 bis 30. November 2002:

1. Einsicht des Projekts „Mensch-Roboter-Kooperation“.

2. Analyse der Kooperationszelle und des bestehenden Überwachungssystems.

3. Design und Entwicklung eines alternativen Überwachungssystems für die Kooperationszelle.

4. Erkennung der Anforderungen eines alternativen Überwachungssystems bzgl. der Arbeitssicherheit.

5. Analyse und Recherche verschiedener Arten von Sensoren, die am alternativen Überwachungssystem eingesetzt werden können.

6. Versuche und Auswertung der ausgewählten Sensoren.

7. Realisierung des Überwachungssystems mit dem gewählten Infrarotsensor.

8. Verifikation der Ergebnisse des gesamten Systems.

9. Dokumentierung des Projekts (Diplomarbeit: „Recherche alternativer Sensoren für ein Überwachungssystem im Rahmen der Mensch-Roboter-Kooperation in einer flexiblen Montagezelle“).



Tabelle 1-1: Ablaufplan der durchgeführten Tätigkeiten Juni Juli August September Oktober November

1 2

3 4 5 6 7 8 9


Kapitel 2: Mensch-Roboter-Kooperation

Die Veränderung der Marktsituation für heutige Unternehmen erfordert eine schnelle Anpassung, so dass eine höhere Produktivität und Stückzahlflexibilität erreicht werden muss. Die drei Wettbewerbsfaktoren Zeit, Kosten und Qualität gewinnen zunehmend an Bedeutung. Durch einen höheren Automatisierungsgrad in der Produktion erlangt die Industrie eine Möglichkeit zum Steigerung der Produktivität, als auch der Qualität.

Die Flexibilität ist eine wesentliche Stärke des Menschen, er stellt sich schnell auf die unterschiedlichsten Situationen ein, meistert selbst unvorhergesehene Aufgaben und besitzt in seinen Händen einzigartige Universalwerkzeuge, mit denen er eine Vielzahl von Arbeiten ausführen kann [2].

Auf dem Weg zur absoluten Flexibilität begegnet die Industrie deswegen einem großen Hindernis: die bestehende strikte Trennung von manuellen und automatisierten Arbeitsstationen, die eine flexible und optimale Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter verhindert.

Die Mensch-Roboter-Kooperation stellt hierfür eine Lösung dar, denn sie ermöglicht einen gemeinsamen Arbeitsplatz, in dem Mensch und Roboter zusammen arbeiten und ihre spezifischen Fähigkeiten optimal einsetzen können.

Dafür gibt es schon verschiedene Ansätze von Montagesystemen, die einen stetigen Wechsel von manuellen und automatischen Tätigkeiten ermöglichen, um die Fähigkeiten des Menschen und des Roboters optimal zu kombinieren.

Gemeinsam ist diesen Systemen, dass es aus Sicherheitsgründen eine strikte Trennung des Roboters und des Werkerarbeitsplatzes gibt, und deswegen die Arbeitsteilungsflexibilität durch das Materialflusssystem erreicht wird. Das heißt, dass die Produkte solange im Kreis durch die Roboter- und Werkerarbeitsplätze geführt werden, bis sie fertig gestellt sind und aus dem Kreisverkehr ausgeschleust werden können.

Die Materialflusssteuerung stößt jedoch mit steigender Komplexität des Produktes und Anzahl der Werker und Roboter sehr schnell an seine Grenzen.

Daraus lässt sich ableiten, dass das Produkt idealerweise stationär ist und Werker und Roboter so angeordnet sind, dass sie uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt haben. Somit kann die



Arbeitsteilung zwischen Werker und Roboter absolut flexibel gestaltet werden. Dies führt zu einem System, in dem die sicherheitstechnische Trennung von Mensch und Roboter aufgehoben ist.

2.1 Potenziale einer kooperierenden Arbeit

Mensch und Roboter haben beide ihren Platz in der Produktion von heute, eben auf Grund ihrer unterschiedlich ausgeprägten Fähigkeiten. Betrachtet man im Einzelnen die jeweiligen Vor- und Nachteile von Mensch und Roboter, wird deutlich, dass die Vorteile des Menschen die Antwort auf die Nachteile des Roboters darstellen und umgekehrt (Abb. 2-1). Der Kooperationsarbeitsplatz bietet nun die Möglichkeit, die Vorteile beider in einem Arbeitsplatz zu kombinieren.

Abb. 2-1: Potenziale der kooperierenden Arbeit

MENSCH Nachteile

Unzuverlässige Prozesskontrolle

Ergonomische Einschränkungen

Genaues Positionieren nur über Vorrichtungen

Verlangt nach anspruchsvollen Aufgaben

Vorteile Hohe Verfügbarkeit

Handhaben komplexer Bauteile

Zuverlässiges Durchführen komplexer Fügevorgänge

Einfache Magazinierung der Bauteile, Aufgabenflexibel

Definierte Bereitstellung notwendig, Starre Abarbeitung der Aufgaben

Toleranzbehaftetes Fügen nicht möglich

Handhaben durch Bauteileigenschaft eingeschränkt

Störanfällig

Nachteile

Zuverlässiges Durchführen monotoner Tätigkeiten

Exaktes Abfahren definierter Bahnen

ROBOTER Vorteile Integrierte Prozesskontrolle

Handhaben schwerer, scharfkantiger Bauteile

2.2 Planung eines kooperierenden Arbeitsplatzes

Für die Implementierung der Mensch-Roboter-Kooperation ergeben sich zwei Entwicklungsschwerpunkte:

Aufbau einer Kooperationszelle, in der Werker und Roboter optimal direkt zusammenarbeiten können.



Aufbau eines intelligenten Überwachungssystems, das vor allem die Sicherheit des Menschen gewährleistet, aber trotzdem die Produktivität der Anlage aufrecht erhält.

2.3 Aufbau der Kooperationszelle

Die Kooperationszelle ist eine autonome Einheit zur Montage von Baugruppen und kompletten Produkten. Durch die Integration von sowohl manuellen als auch automatischen Fähigkeiten (Abb. 2-2), können beliebig große Arbeitsinhalte in einer Zelle verwirklicht werden und diese wiederum auf beliebig viele Arbeitsplätze aufgeteilt werden. Deswegen eignet sich dieses System vor allem für kleine, variantenreiche Losgrößen, die bisher auf Grund der notwendigen Flexibilität rein manuell gefertigt wurden.

Abb. 2-2: Kooperationsarbeitsplatz

M Manueller

Arbeitsplatz

A Automatisierter

Arbeitsplatz

K Kooperations- Arbeitsplatz

Der Kooperationsarbeitsplatz ist so konzipiert, dass Mensch und Roboter sich gegenüber stehen und das Montageobjekt sich, für den Zeitraum der gemeinsamen Bearbeitung, stationär in der Mitte befindet. Dadurch haben beide Interaktionspartner uneingeschränkten Zugriff auf das Montageobjekt und können sich trotzdem frei bewegen.

2.4 Aufbau des Überwachungssystems

Bei der Arbeitsablaufgestaltung geht es um die Koordination der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter innerhalb einer Kooperationssequenz. Eine exakte Strukturierung des Arbeitsablaufes ist notwendig, um zulässige Bewegungen von Mensch und Roboter zu definieren und um davon abgeleitete Störsituationen identifizieren zu können. Bei Betrachtung des sich überlappenden



Arbeitsraumes und unter Berücksichtigung von Ort und Zeit lassen sich drei alternative Betriebsmodi der Kooperation ableiten (Abb. 2-3).

Eine quasi- direkte Kooperation ergibt sich bei einer zeitlichen Trennung (synchronisiert) bzw. bei einer örtlichen Trennung (autark). Wird jegliche Trennung aufgehoben, ergibt sich der eigentliche kooperierende Arbeitsschritt.

Abb. 2-3: Betriebsmodi der Kooperation

Synchronisiert Zeitliche Trennung Aufeinander abgestimmtes, zeitlich versetztes Arbeiten

Autark Örtliche Trennung Paralleles, unabhängiges Arbeiten, aber in unterschiedlichen Arbeitsbereichen

Kooperierend Keine Trennung Gleichzeitiges Arbeiten innerhalb einer Teilverrichtung

Das synchronisierte Arbeiten ist ein zeitlich versetztes, aber aufeinander abgestimmtes Arbeiten von Werker und Roboter. Durch dieses Wechselspiel können die Vorteile einer Mensch-Roboter-Kooperation bis auf Teilprozessebene, also bis zum Aufteilen einer Teilverrichtung in Handhaben und Fügen, genutzt werden (Abb. 2-1).

Das autarke Arbeiten bietet sich an, wenn der gemeinsame Arbeitsraum in mindestens zwei definierte Arbeitsbereiche unterteilt werden kann, in denen Werker und Roboter unabhängig voneinander arbeiten können. Dazu ist jedoch eine Mindestgröße des Produktes notwendig, oder es sind mehrere Produkte im gemeinsamen Arbeitsraum angeordnet, was einer verrichtungsweisen Montage entspricht.

Auch in diesem Betriebsmodus können alle Vorteile bis auf Teilprozessebene genutzt werden, mit dem zusätzlichen Vorteil der größeren Unabhängigkeit von Werker und Roboter.



Das kooperierende Arbeiten führt die spezifischen Fähigkeiten von Mensch und Roboter in einem Prozess zusammen, in der Form, dass sich die Interaktionspartner gegenseitig als „Dritte Hand“ dienen.

2.4.1 Arbeitsablaufüberwachung der Kooperation

Für die abgeleiteten Betriebsmodi muss nun ein intelligentes Überwachungskonzept für eine effektive Mensch-Roboter-Kooperation entwickelt werden, das die Sicherheit des Menschen gewährleistet, aber die Produktivität der Anlage aufrecht erhält.

Das Überwachungssystem soll die Bewegungen des Menschen erkennen und diese in eine entsprechende Reaktion des Roboters umsetzen. Es lässt sich grundsätzlich in eine Arbeitsraumüberwachung für das synchronisierte und autarke Arbeiten und in die Arbeitspunktüberwachung für das kooperierende Arbeiten unterscheiden.

2.4.2 Arbeitsraumüberwachung

Als eine flexible Abstandsüberwachung ist die Arbeitsraumüberwachung realisiert. Es werden die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der exponiertesten Punkte von Werker und Roboter bestimmt und entlang des kürzesten Abstandes relativ zueinander gesetzt (Abb. 2-4).

Abb. 2-4: Arbeitsraumüberwachung

Der momentan kürzeste Abstand wird mit einem zulässigen Abstand verglichen, der von der aktuellen Situation, d.h. den Momentangeschwindigkeiten von Mensch und Roboter abhängt, aber auch Fixgrößen, wie z.B. Brems- und Not- Aus-Verhalten des Roboters und Verarbeitungsgeschwindigkeit



des Gesamtsystems berücksichtigen kann. Für die sensorische Erfassung von Werker und Roboter muss ein Überwachungssystem verwendet werden, das über dem Arbeitsplatz angebracht wird.

2.4.3 Arbeitspunktüberwachung

Für einen kooperierenden Arbeitsschritt ist eine andere Überwachungsform notwendig, da es, von oben gesehen, zu einer Überschneidung von Werker und Roboter kommen kann. Bei einem kooperierenden Arbeitsschritt sollen sich Werker und Roboter gegenseitig als „Dritte Hand“ unterstützen, z.B. hält der Werker ein Bauteil, und der Roboter schraubt es fest.

Die Arbeitspunktüberwachung basiert auf der Idee, dass es einerseits einen passiven Interaktionspartner gibt, der sich nicht bewegen muss, und deswegen die Geschwindigkeit 0 hat, andererseits einen aktiven Interaktionspartner gibt, der sich frei bewegen muss und auch darf. Zur sensorischen Erfassung des Werkers soll ein lokales Überwachungssystem eingesetzt werden (Abb. 2-5).

Abb. 2-5: Arbeitspunktüberwachung

2.5 Versuchsanlage team@work

Im Rahmen der „Marktorientierten strategischen Vorlaufforschung“ (MaVo) der Fraunhofer Gesellschaft wird im Verbundprojekt „Intelligente Produktionsanlagen“ am Fraunhofer IPA die Versuchsanlage team@work aufgebaut, um die Idee der Mensch-Roboter-Kooperation darzustellen.

Team@work basiert auf dem Prinzip der Kooperationszelle und wird exemplarisch in der Konfiguration mit zwei Stationen, einem Werker und einem Roboter verwirklicht (Abb. 2-6).



Abb. 2-6: Versuchsanlage team@work

Teilebereitstellung Arbeiter

Teilebereitstellung Roboter

Bereitstellung Werkzeuge

Mit dieser Konfiguration ist es möglich alle Kerngedanken einer Kooperationszelle wie die

direkte Mensch-Roboter-Kooperation, Kompensation von Kapazitätsschwankungen und die Abwärtskompatibilität darzustellen.

2.5.1 Montageanlageteile

Abb. 2-7: Montagezelleanteile

(D)

(C) SCARA Roboter (A) 1. Achse (B) 2. Achse (C) 3. Achse (Spindel) (D) 4. Achse (Greifer)

Transfersystem

(A)

(B)

Teilebereitstellung

Werkstückträger

Touchscreen



Die gesamte Anlage besteht aus den Teilsystemen (Abb. 2-7):

Transfersystem (Bosch TS 2plus)

Werkzeugbereitstellung

Teilebereitstellung

Werkstückträger

SCARA Roboter (Bosch TurboScara SR8) mit 4 Glieder

Touchscreen


Kapitel 3: Arbeitssicherheit

3.1 Grundlagen

Unfallgefahren durch Industrieroboter bestehen hauptsächlich wegen der energiereichen Bewegungen, d.h. der Bewegung großer Massen bei hohen Verfahrengeschwindigkeiten.

Diese Unfallgefahren wirken sich aber wesentlich gravierender als bei konventionellen Maschinen aus auf Grund:

der gleichzeitigen Bewegung in mehreren (bis 6) Achsen,

der freien Programmierbarkeit der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung jeder einzelnen Achse,

des im Verhältnis zum Gerätevolumen sehr großen Bewegungsraumes,

der Überschneidung des Bewegungsraumes des Industrieroboters mit dem Standraum anderer Maschinen, Gebäudeteile usw.

Wegen dieser Besonderheiten müssen spezielle Vorkehrungen getroffen werden, um diesen Gefahrenbereich abzuschirmen und so Menschen, die sich in diesem Gefahrenbereich aufhalten müssen, vor Unfallgefahren zu schützen.

Abhängig von der jeweiligen Betriebsart des Industrieroboters ergeben sich für unterschiedliche Personengruppen Sicherheitsprobleme: Im Automatikbetrieb sind vor allem das Bedien- und Überwachungspersonal, das Personal an benachbarten Arbeitsplätzen sowie Neugierige besonders gefährdet. Hier muss durch feste Absperrungen, Verkleidungen, Schutzzäune, u.ä. sicher verhindert werden, dass der Gefahrenbereich betreten oder in ihn hineingegriffen werden kann.

Im Programmier- und Einrichtbetrieb müssen Einrichter und Programmierer beim Aufenthalt im Roboterarbeitsraum derart geschützt werden, dass die Sicherheitsmaßnahmen nur bewusst und von befugten Personen aufgehoben werden können, so dass bereits bei der Planung mögliche Unfallgefahren beim Verfahren des Roboters durch andere Maschinen oder Gebäudeteile im Bewegungsraum des Industrieroboters zu vermeiden sind. Zum Einrichten sollte über einen


Kapitel 3: Arbeitssicherheit

gesonderten Schalter sichergestellt werden, dass ein Verfahren nur im Schleichgang und/oder im Tippbetrieb möglich ist, solange sich der Einrichter noch im Gefahrenbereich befindet.

Während der Arbeiten zur Instandhaltung des Industrieroboters sollte die gesamte Anlage stillgelegt sein. Bei Arbeiten, bei denen das nicht möglich ist, sollten aber die gleichen Sicherheitseinrichtungen wie im Automatik- und Einrichtbetrieb wirksam sein. Darüber hinaus können eine übersichtliche Gestaltung der Anlage mit klar definierten Schnittstellen und organisatorische Maßnahmen wie Fehlerdiagnosesysteme oder vorbeugende Instandhaltung das Unfallrisiko verringern helfen.

Unfallverhütungsvorschriften können aus allgemeinen Vorschriften und Empfehlungen (DIN 31000, 31001, VDE 0113, allg. UVV) hergeleitet bzw. aus der VDI 2853 entnommen werden [8].


Kapitel 4: Bestehendes Überwachungssystem

4.1 Videokameras mit Bildverarbeitung

Es handelt sich hierbei um CCD-Kameras. CCD steht für Charge Coupled Device und erklärt die Art, wie die Lichtintensität in eine elektrische Größe verwandelt wird [5]. Die Kameras liefern Farbbilder in VGA-Qualität (640x480 Pixel). Jede Einzelne von ihnen kann bis zu 30 Bilder pro Sekunde liefern. Daraus ergibt sich ein theoretischer Datendurchsatz von ca. 26MB pro Sekunde. Um diese Datenmengen beherrschen zu können, ist jede dieser Kameras an einem eigenen PC angeschlossen [6].

4.1.1 Einsatz in der Montagezelle

Oberhalb der Anlage sind in einer Höhe von ca. vier Metern drei Kameras angebracht. Eine befindet sich direkt über dem Arbeitsplatz und ist senkrecht nach unten ausgerichtet. Die anderen beiden sind in der gleichen Höhe links und rechts oben installiert (Abb. 4-1).

Abb. 4-1: Anordnung der Kameras oberhalb des Werkers

Kameras

Die Anordnung der Kameras ist genau bestimmt. Es sind die Koordinaten im Raum sowie die Drehparameter der Orientierung von jeder Kamera bekannt. Ein Punkt P(x/y/z) der sich in dem zu



überwachenden Arbeitsraum befindet wird von allen drei Kameras gesehen. Es wird für jede Kamera die Sichtgerade dieses Punktes bestimmt. Diese Gerade geht durch das Zentrum der Linse und trifft an einer Stelle auf den CCD-Chip. Von diesen Geraden wird der Schnittpunkt im Raum bestimmt.

Dort liegt der Punkt P. Somit ist es möglich, die Raumkoordinaten von beliebigen Punkten im Arbeitsraum zu berechnen. Theoretisch reichen dafür zwei Kameras. Zur Schaffung von Redundanz ist jedoch mindestens eine weitere Kamera notwendig. Weiterhin kann es in der Szene zu Verdeckungen kommen, so dass vielleicht eine Kamera den Punkt gar nicht sieht.

Jede Kamera schickt ihr Bild an den angeschlossenen PC. Diese extrahieren jeweils aus den Bildern die zweidimensionalen Abbildungskoordinaten eines relevanten Punktes. Ist dies geschehen, werden die Daten an einen Master-PC weitergegeben, der nun in der Lage ist, die 3D-Koordinaten jedes Punktes zu bestimmen. Diese Rauminformation wird dann an das nachgeschaltete Überwachungssystem weitergegeben werden (Abb. 4-2).

Abb. 4-2: Schematischer Aufbau des Bildverarbeitungssystems

Auswerte-PC

Auswerte-PC

Auswerte-PC

Auswerte-PC

Farbbild

Farbbild 3D- Daten

2D- Daten

Kamera (links-oben)

Kamera (mitte-oben) Regelsystem

Kamera (rechts-oben)

Zur Visualisierung ist es weiterhin möglich, auf dem Master-PC die Livebilder aller drei Kameras anzuzeigen. Dazu wird jedes Bild komprimiert, bevor es über das lokale Netzwerk geschickt wird (Datentransferübersicht des gesamten Systems wird in Anhang A dargestellt).

Die erste und zweite Achsen des verwendeten Scara-Roboters bewegen sich nur in einer Ebene. Es sind Referenzpunkte angebracht, die die obere, senkrecht schauende Kamera gut detektieren kann. Aufgrund der bekannten Kinematik des Roboters wird dadurch dessen Position bestimmt. Die oben bereits erwähnte Sichtgerade wird mit der Bewegungsebene geschnitten. Es ist also möglich, die Roboterposition im Raum mit nur einer Kamera zu bestimmen. Diese Daten werden mit der Positionsangabe der Robotersteuerung verglichen.



Die Detektion des Werkers ist zweistufig gelöst. Zuerst werden Verfahren der Bewegungsanalyse angewendet, um herauszufinden, wo sich in der Szene etwas bewegt. In der zweiten Stufe wird nun klassifiziert, was sich im Arbeitsraum bewegt [4]. Mittels einer Farb- und Texturanalyse werden die Hände und der Kopf des Werkers in den verschiedenen Kamerabildern gefunden.

Abb. 4-3 zeigt wie in dem Kamerabild von oben die Hände und der Kopf der Werker gefunden werden. Hierbei wird auch demonstriert, dass dunklere Hauttypen kein Problem darstellen.

Abb. 4-3: Livebild und Ergebnisbild

Mittels der 3D-Koordinaten von Mensch und Roboter liegen nun alle relevanten Daten vor. Außerdem lassen sich daraus weitere Parameter wie Geschwindigkeit und Beschleunigung ableiten.

Der momentan kürzeste Abstand wird mit einem zulässigen Abstand verglichen. Wird der zulässige Abstand bei der Annäherung des Roboters unterschritten, wird die Geschwindigkeit des Roboters entsprechend vermindert.

Des Weiteren werden bei der Regelung verschiedene Zustände des Roboters, wie z.B. Prozessdurchführung, Materialaufnahme und Werkzeugwechsel berücksichtigt. In Störsituationen kann der Werker die Arbeit des Roboters unterbrechen, worauf dieser sich auf eine neutrale Position außerhalb des Arbeitsplatzes zurückzieht. Der Werker hat nun die Möglichkeit den Prozess selbst durchzuführen oder die Störung am Roboter z.B. durch ein Öffnen des Robotergreifers zu beheben, worauf der Roboter seine Aufgaben an der gleichen Stelle wieder aufnimmt.



4.2 Vor- und Nachteile

Vorteile:

Globales System

3D-Auflösung

Nachteile:

Abhängig von den bestehenden Lichtverhältnissen.

Großer Hardwareaufwand (drei Videokameras, zusätzliche Rechner, Beleuchtung)

Es sind große Rechnerkapazitäten erforderlich, da große Datenmengen zu verarbeiten sind.

Reaktionszeiten des Systems von bis zu 100 ms,

hohe Kosten

Es wird nicht die ganze Person erfasst, sondern nur die Hände und das Gesicht des Werkers.


Kapitel 5: Alternatives Überwachungssystem

Die Bildverarbeitung stellt im globalen Bereich eine gute Lösung dar, um die absolut flexible Arbeitsteilung zwischen Mensch und Roboter zu ermöglichen.

Probleme gibt es trotzdem in dem so genannten Nah- oder Tot-Bereich, der sich auf die direkte Umgebung des Roboterarms bezieht. Dringt ein Objekt in diesen Bereich ein, muss die Bewegung des Roboterarms sofort vollständig eingestellt werden. Trotzdem gibt es Sonderfälle, in den die Bildverarbeitung nicht genügend schnell ansprechen kann, bzw. die möglichen Kollisionen nicht vermeidet.

5.1 Konzeptlösung

Aus diesem Grund kam eine alternative schnellere Sensormethode in Frage, um den nahen Bereich zu überwachen. Da das Problem in nahem Bereich liegt, wäre es denkbar, eine Art von Sensoren direkt am Roboterarm zu hängen, die die Anwesenheit der Hände des Werkers bestimmen kann (Abb. 5-1).

Abb. 5-1: Lösungskonzept

Bestehendes Überwachungssystem Bildverarbeitung Alternatives Überwachungssystem

Sensoren für dem nahen Bereich


Kapitel 5: Alternatives Überwachungssystem

5.2 Anforderungen an die Sensoren

Gesucht wird eine geeignete Sensorik, die den Standard des bereits existierenden Systems erfüllt und den Anforderungen des Kollisionsschutzes gerecht wird:

Die benötigten Sensoren müssen in der Lage sein, analoge Werte zu liefern, um eine qualitative Aussage über die Anwesenheit des Werkers im nahen Bereich des Roboterarms machen zu können.

Der Werkzeugbereich des Roboters ist vertikal variabel. Sowohl der Roboter, als auch der Werker haben eine räumliche Ausdehnung. Mit dem gesuchten Sensortyp muss eine 3D-Auflösung realisierbar sein.

Die Abtastrate sollte möglichst hoch sein, da im ungünstigsten Fall die Annäherungsgeschwindigkeit zwischen Roboterarm und den Gliedmaßen des Werkers bis zu 3,6 m/s betragen kann [4].

Dieser Wert errechnet sich aus der maximalen Geschwindigkeit des Roboterarms (2 m/s) und der maximalen Geschwindigkeit, damit ein Mensch seine Gliedmaßen bewegen kann (1,6 m/s)

MenschRobotermax vvv +=

636102max ,,, =+=v

( 5.1)

Die Reaktionszeit des Sensors sollte aus dem selben Grund sehr gering sein. Gleiches gilt für die Verarbeitung der Daten. Deswegen sollte die von der Sensorik gelieferte Datenmenge so klein wie nur möglich sein.

Die auszusuchende Sensorik soll eine preisgünstigere Alternative darstellen.

Da das Messobjekt (Mensch) sich bewegt und nicht berührt werden kann oder berührt werden darf, soll die Messmethode berührungslos sein, um die Anwesenheit des Menschen zu erkennen.

Aus diesem Grund sind die folgenden Sensortypen in Frage gekommen:

Ultraschallsensoren

Infrarotsensoren


Kapitel 6: Ultraschallsensoren

Für die Verwirklichung der Mensch-Roboter-Kooperation kommen die Ultraschallsensoren in Frage, da sie die Sicherheit im nahen Bereich des Roboterarms mit einer kürzeren Ansprechzeit als die Bildverarbeitung garantieren können.

6.1 Die Grundlagen der Ultraschallwellen

Als Ultraschall bezeichnet man alle mechanischen Schallwellen mit Frequenzen oberhalb von 20 kHz. Im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen sind mechanische Schwingungen an ein elastisches Medium gebunden.

Der grundsätzliche Aufbau dieser Sensoren und ihr physikalisches Wirkprinzip beruht auf der Tatsache, dass ein hochfrequentes Schallfeld eines Hochtonkegels gerichtet und mit einer, je nach Auslegung mehr oder weniger engen Schallkeule, vom Sender abgestrahlt werden kann (Abb. 6-1) [19].

5 3 1-1-3-5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 (mm)

(cm)

Objekt

US-Sensor

Abb. 6-1: Schallausbreitung bei US-Sensoren

Dieses Schallfeld wird von einem Gegenstand zurückreflektiert und so, mit zeitlicher Verzögerung, im Sensor wiederum durch einen mikrofonähnlichen Empfänger registriert. Wenn nun Sender- und Empfängerelement identisch sind, so genügt es ein Impulspaket mit ein paar Impulsen und einer, dem Messbereich entsprechenden Wiederholfrequenz zu senden und in den Sendepausen die rücklaufenden Wellen zu empfangen. Die Laufzeit der Schallwelle mit der Schallgeschwindigkeit t

cr sr entspricht dem zurückgelegten Weg (Echo-Laufzeitverfahren), näherungsweise nach der Formel:



tcs ⋅=rr

( 6.1)

Hierin ist c die Schallgeschwindigkeit in der Luft, r sr der zurückgelegte Weg (zweimal dem Abstand Sensor Objekt) und t die Dauer für den Hin- und Rücklauf der Schallwelle.

6.1.1 Schallgeschwindigkeit

Die Schallgeschwindigkeit, d.h. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle, hat elementare Bedeutung für die Entfernungsbestimmung mit Ultraschallsensoren.

Für Gase gilt [7]:

ρκpc =

r

( 6.2)

Hierbei ist p der Schalldruck, κ der Adiabatenkoeffizient (Für Luft bei 0°C beträgt sein Wert

κ =1,4) und ρ der Luftdruck.

In Gasen ist cr annähernd druckunabhängig. Hingegen besteht eine Temperaturabhängigkeit, da die Dichte bei konstantem Druck eine Funktion der Temperatur ϑ ist. Die Abhängigkeit wird in folgender Gleichung beschrieben:

(0 ⋅= cc rr1 ))( 0ϑϑα −+ ( 6.3)

Hierein ist ϑ die Absolute Temperatur in Kelvin, 0ϑ die Bezugstemperatur, 0cr die

Ausbreitungsgeschwindigkeit bei 0ϑ und α der kubische Ausdehnungskoeffizient (α = 1/ 273,16 K-1).

Für Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit:

=cr 31331, =⋅⋅ ϑα m/s 9342, ( 6.4)

Daraus ergibt sich bei 20°C in Luft: 9342,=cr m/s

Man unterscheidet bei US-Sensoren grundsätzlich zwischen Distanz- und Strecken-Sensoren. Unter Distanz-Sensoren werden solche Sensoren eingeordnet, welche Objekte aus der Entfernung erfassen und ihre Informationen aus dem Reflexionsverhalten ausgesendeter Schallwellen gewinnen. Sie schließen auf das Vorhandensein von Objekten und messen Entfernungen durch die Auswertung der Laufzeit.



Streckensensoren werten die Signalveränderung aus, welche sich durch veränderte Parameter der Übertragungsstrecken ergeben. Er kennt nur zwei Schaltzustände. Der Ultraschall-Distanz-Sensor enthält Sender und Empfänger in einem Gehäuse, wobei der Streckensensor diese Einheiten örtlich getrennt haben kann.

Bei allen US-Sensoren muss die so genannte „Tote Zone“ berücksichtigt werden. Dabei handelt es sich um den Bereich unmittelbar vor dem Sensorkopf. Befindet sich ein Gegenstand in diesem Bereich, liefert der Sensor keine entfernungsabhängigen Spannungen mehr.

6.2 Einsatzmöglichkeit an die Mensch-Roboter-Montagezelle

US-Sensoren werden am Roboterarm befestigt (Abb. 6-2). Die von ihnen ermittelte Entfernung zu einem Hindernis, entspricht dann der Entfernung zwischen diesem und dem Roboter.

Abb. 6-2: Ultraschallüberwachung


Kapitel 7: Versuchen und Auswertung der US-Sensoren

Zur Überprüfung der Ultraschallsensoren auf Eignung zur Umsetzung der Mensch-Roboter-Kooperation werden US-Sensoren (Model UC 500-30GM-IU-V1) der Firma Pepperl+Fuchs benutzt, siehe Abb. 7-1.

Abb. 7-1: US-Sensor (Pepperl+Fuchs)

Konventionelle Ultraschallsensoren haben meistens nur einen kleinen Öffnungswinkel. Der Raum um den Roboterarm muss aber lückenlos überwacht werden. Dieser Umstand erfordert eine Vielzahl von Sensoren, die kreisförmig um den Roboterarm angebracht werden. Die genaue Anzahl an benötigten Sensoren ist experimentell zu ermitteln, damit eine vollständige Abdeckung des Arbeitspunktes erreicht wird.

Prinzipiell werden Versuche mit vier US-Sensoren, die an dem Roboterarm befestigt werden, durchgeführt. Dafür musste zusätzlich der Regelungscode geändert werden.

Obwohl sich keine Gegenstände unter dem Roboterarm befinden, wurde ein schmutziges Ausgangsignal ständig bekommen.

Der Grund dafür wäre wahrscheinlich, dass die Ultraschalsensoren zu nahe nebeneinander platziert wurden, denn als später nur zwei Ultraschalsensoren benutzt werden, ist ein reines Ausgangsignal bekommen.



Wenn die US-Ultraschall zu nahe platziert werden, können sie sich gegenseitig beeinflussen, d.h. es können von einem Sensor Schallechos aufgefangen werden, die keine Reflexionen der von ihm ausgesendeten Schallwellen sind [5].

Nach aller Versuchen hat das System schließlich wirksam funktioniert, um die Anwesenheit von Gegenständen am nahen Bereich der Roboterarm zu erkennen.

Da die Ansprechzeit des Sensors ein wichtiger Parameter für das Überwachungssystem ist, wird es entschieden, einige Messungen mittels eines Oszilloskops durchzuführen. Und zwar für einen 10 cm und 20 cm Abstand.

Abb. 7-2 stellt eine der Messungen für einen 10 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 7,6 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus die gesamten Messungen wurden immer Ansprechzeiten ermittelt, die unter 10 ms sich befinden.

Abb. 7-2: Messungen: 10 cm Abstand (US-Sensor)



Abb. 7-3 stellt eine der Messungen für einen 20 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 5,9 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus die gesamten Messungen werden, wie bei einem 10 cm Abstand, Ansprechzeiten ermittelt, die unter 10 ms sich befinden.

Abb. 7-3: Messungen: 20 cm Abstand (US-Sensor)

Daraus erkennt man, dass die Ultraschall-Sensoren die Anforderungen nach einer kurzen Reaktionszeit erfüllen können.

Das größte Problem bei dem Ansatz von Ultraschallsensoren zur Überwachung des nahen Bereich liegt an die Unmöglichkeit die Gegenstände zu unterscheiden. Es kann nur registriert werden, ob sich ein Objekt im Schallkegel befindet oder nicht. Das heißt, dass man nicht wissen kann, ob es sich z.B. um die Hände eines Werkers oder eines Werkstücks handelt.

Aufgrund dieser Einschränkung ist es nicht möglich, Montageprozesse zu realisieren und deswegen ist es notwendig, eine andere Art von Sensoren zu wählen, die zwischen den Werker und die Arbeitsplatzumgebung unterscheiden können.


Kapitel 8: Infrarotsensoren

Wie bei den Ultraschallsensoren kommen die Infrarotsensoren in Frage, da sie die Sicherheit im nahen Bereich des Roboterarms auch mit einer kürzeren Ansprechzeit als die Bildverarbeitung garantieren können.

Mit Hilfe eines Infrarotsensors wird die Wärme des Menschen aufgenommen und die Anwesenheit des Werkers erkannt und die Geschwindigkeit des Roboterarms entsprechend der Entfernung zwischen Person und Roboter reduziert werden.

8.1 Die Physikgrundlagen der Infrarotstrahlung

Die Wissenschaftler Stefan und Boltzmann entdeckten vor 150 Jahren das Naturgesetz, dass alle Körper Energie in Form von Lichtwellen ausstrahlen und Max Planck erklärte um die Jahrhundertwende, wie dieses Phänomen zustandekommt.

Für Körper bei Raumtemperatur ist dieses Licht allerdings unsichtbar, denn es strahlt im Infraroten. Nur wenige Tiere wie einige Schlangen und Insekten können diese Strahlung direkt wahrnehmen, wir Menschen brauchen dazu spezielle Kameras [10].

Die Helligkeit des abgestrahlten Infrarotlichtes hängt dabei sehr stark von der Temperatur ab. Ein Beispiel ist ein glühendes Stück Metall. Ist es sehr heiß, so leuchtet es sehr hell. Kühlt es ab, so wird sein Glühen immer röter und dunkler.

Das Maximum der Lichtausstrahlung verschiebt sich mit sinkender Temperatur immer weiter zum langwelligen Spektralbereich hin und die Intensität nimmt stark ab. Erreicht die Temperatur die Umgebungstemperatur, so ist das Maximum der Abstrahlung in das ferne Infrarot gerutscht.

8.1.1 Die Infrarotstrahlung

Die Infrarotstrahlung ist Bestandteil des elektromagnetischen Wellenspektrums, zu dem auch die Funkwellen, das sichtbare Licht, die ultraviolette Strahlung sowie Gamma- und Röntgenstrahlen gehören. Das elektromagnetische Wellenspektrum überdeckt einen Frequenzbereich von ungefähr 18 Dekaden. Das menschliche Auge nimmt daraus nur einen winzigen Bereich überhaupt wahr. Der



Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts beginnt im Violetten (0,35 µm) und endet im Roten (0,78 µm).

Die infrarote Spektralbereich liegt zwischen dem sichtbaren Teil des Spektrums und den Funkwellen. Die Angabe der Wellenlänge erfolgt zumeist in Mikrometern (10-6m oder µm), wobei sich der Infrarotbereich von 0,78 µm bis 1 mm erstrecht. In Abb. 8-1 ist das elektromagnetische Spektrum gezeigt:

Abb. 8-1: Der elektromagnetische Spektrum

0,01 nm 0,1 nm 1 nm 10 nm 0,1 µm 1 µm 10 µm 0,1 µm 1 mm 1 cm 10 cm 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km

Wellenlänge

Mikrowelle

Infrarot

Ultraviolett

Röntgen

Gamma sichtbares Licht

Wellenlänge (µm) 0,7 3,0 5,0 8,0 12,5 100

Nahes Infrarot

Mittleres Infrarot

Fernes Infrarot

Radio Extremes Infrarot

Elektromagnetische Strahlung entsteht durch Emission. Jeder Körper, der eine Temperatur hat, die größer ist als der absolute Nullpunkt (T=0 K (absolute Temperatur) oder -273,16°C ) emittiert elektromagnetische Wellen.

8.1.1.1 Die Unterbereiche des Infrarotbereichs

Der Infrarotbereich des Elektromagnetischen Strahlungsspektrums ist selber wiederum in verschiedene Unterbereiche eingeteilt, die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen (Abb. 8-1) [10].

Nahes IR



Unter nahem Infrarot versteht man den Bereich, der sich unmittelbar am langwelligen Ende des sichtbaren Lichtes, dem Rot bei 0,78 µm, anschließt und etwa bis 3 µm Wellenlänge geht. In diesem Spektralbereich kann noch mit ganz normalen Gläsern und Spiegeln gearbeitet werden . Dieser nahe IR-Bereich wird häufig mit dem ganz anders gearteten mittleren und thermischen Infrarot verwechselt.

Mittleres IR

Das Mittlere IR liegt bei 3 bis 5 µm Wellenlänge. In diesem mittleren Bereich muss zu Sondermaterialien wie Halbleiter und Kristallen für die Linsenfertigung gegriffen werden. Dieser Bereich ist besonders wichtig, wenn es um die Thermografie höherer Temperaturen geht.

Langwellen-Infrarot (Fernes IR) oder Thermisches IR

Das Ferne IR erstreckt sich im Spektrum von 8 µm bis etwa 12,5 µm Wellenlänge. Wenn ein Körper ungefähr Umgebungstemperatur erreicht, ist die Lichtabstrahlung bei 10 µm Wellenlänge am stärksten. Wegen des in fernen IR liegenden Abstrahlungsmaximums nennt man es auch thermisches Infrarot.

Extremes IR

An den Spektralbereich des thermischen IR schließt sich der Grenzbereich zwischen Licht und Radiowellen an. Hier absorbiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf die Strahlung schon auf kurzen Strecken, zudem ist es sehr schwierig, Sensoren für diesen recht unerforschten Wellenlängenbereich zu bauen. Daher hat der Submillimeterbereich in der Thermografie keine Bedeutung.

8.1.1.2 Die Transparenz der Erdatmosphäre

In den meisten Bereichen des Infrarotspektrums wird die Strahlung durch Wasser, Kohlendioxid und Spurengase wie Ozon und Methan absorbiert, das heißt, unsere Atmosphäre lässt nicht jede beliebige IR-Wellenlänge hindurch, aber sie weist verschiedene Bereiche auf, in denen sie wieder durchsichtig wird, weshalb man für diese Bereiche Spezialsensoren baut.

Zwei bedeutende transparente Bereiche verbleiben aber, eins von 3,5 bis 5 µm, das andere bei 8 bis 12 µm (Abb. 8-2). Beide Fenster werden zur Thermografie benutzt, das Kurzwellige für hohe Temperaturen, das Langwellige für den Raumtemperaturbereich [10].



Abb. 8-2: Die Transparenz der Erdatmosphäre

thermisches Langwellen-IR

Extremes IR Nahes IR

8 –

12 µ

m

3 –

5 µm

Durchlässigkeit der Atmosphäre Plancksche Kurve für Raumtemperatur

8.1.2 Die Natur der Wärmestrahlung

Obwohl die IR-Abstrahlung unsichtbar für das Menschliche Auge ist, ist es hilfreich, sich die Strahlung als sichtbar vorzustellen, denn sie verhält sich in vielen Fällen gleich wie das sichtbare Licht. IR-Energie strahlt aus der Quelle in geraden Linien aus und kann von materiellen Oberflächen reflektiert und absorbiert werden.

Die Intensität der emittierten infraroten Strahlen hängt einerseits von der Temperatur des Messobjektes und andererseits von der Beschaffenheit der Oberfläche sowie deren Material ab.

So senden z.B. Objekte mit hohen Temperaturen mehr Infrarot-Strahlen aus als Objekte mit niedrigen Temperaturen. Objekte mit blanker, heller Oberfläche senden weniger Infrarot-Strahlen aus als Objekte mit rauer, dunkler Oberfläche.

Wesentliche Strahlungsgrößen für emittierende und absorbierende Körper sind in der Tabelle 8-1 erfasst [7]:



Tabelle 8-1: Strahlungsgrößen für emittierende und absorbierende Körper Physikalische Größe Symbol Einheit Bemerkungen

Strahlungsenergie Q WsJ , Energie in Form elektromagnetischer Strahlung

Strahlungsleistung dtdQP =

W Strahlungsenergie je Zeiteinheit

Strahlungsfluss dtdQ

=Φ

W Durch eine Fläche je Zeiteinheit hindurchtretende Strahlungsenergie

Spezifische Ausstrahlung dAdM Φ

=

2mW

Strahlungsfluss in den Halbraum je Flächeneinheit der strahlenden Oberfläche

Spektrale spezif. Ausstrahlung λddA

dM⋅Φ

=2

µmmW⋅2 Spezifische Ausstrahlung in Bezog auf ein

Wellenlängenintervall dλ

8.1.2.1 Absorption, Reflexion und Transmission der Wärmestrahlung

Im Falle der meisten Festkörpern, die für das menschliche Auge undurchlässig sind, wird die auf einen Körper treffende Strahlung nur zum Teil von ihm absorbiert, der andere Teil wird reflektiert bzw. transmittiert (Abb. 8-3). Das gilt auch für Objekte, die durchsichtig für das menschliche Auge sind, wie Glas, Gase und dünne Kunststoffe. Ein Teil der Energie strahlt trotzdem direkt durch das Objekt.

Diese Eigenschaften des Körpers werden als Absorptionsgrad α, Reflexionsgrad ρ bzw.

Transmissionsgrad τ bezeichnet [15].

Definiert ist

der Absorptionsgrad α durch das Verhältnis von absorbiertem Strahlungsfluss zum gesamten ankommenden Strahlungsfluss.

der Reflexionsgrad ρ durch das Verhältnis von reflektiertem Strahlungsfluss zum gesamten ankommenden Strahlungsfluss.

der Transmissionsgrad τ durch das Verhältnis von durch den Körper hindurchtretendem Strahlungsfluss zum gesamten ankommenden Strahlungsfluss.

Bei einer bestimmten Wellenlänge wie auch integral über den gesamten Wellenlängebereich ist die Summe aller drei Kenngrößen stets Eins:

=++ )()()( λρλτλα 1 ( 8.1)



sowie

=++ ρτα 1

A

ρ

Die SpektTemperatur. Drei p

8.1.2.2 Das Kirchh

Nachdem gleiche Strahlungs

Kann er beder thermischen St

AbsorbiertStrahlung, also 10 8-4). Das bedeutet

Auftreffender Strahlungsfluss

bb. 8-3: Absorption, Reflexion

Φ

ralzusammensetzung undhysikalische Gesetze bes

offsche Strahlungsges

sich ein thermodynamiscenergie, die er absorbiert

),( Tλα

i einer bestimmten Wellerahlung geht man immer

ein Körper für alle We0%, so spricht man von, dass keinerlei Verluste d

Recherche alternativer Sender Mensch-Roboter-

u

α

c

e

h[

nv

sK

nd Transmission

τ

Intensität der emithreiben die Zusam

tz

es Gleichgewicht e14].

),( Tλε=

länge nicht emittieron dem Idealbild, d

llenlängen und Teeinem Schwarzen urch Transmission u

oren für ein Überwachungooperation in einer flexible

tieme

ing

enem

mpKönd

ssyn M

ρ + α + τ = 1

rten Strahlung ist abhängig von der nhänge:

estellt hat, emittiert jeder Körper die

( 8.2)

, kann er auch nicht absorbieren. Bei Schwarzen Körper aus.

eraturen die gesamte auftreffende rper oder Schwarzen Strahler (Abb. Reflexion vorhanden sind.

stem im Rahmen ontagezelle 31


Abb. 8-4: Schwarzer Körper

Auftreffender Strahlungsfluss

Φ

τ = 0

α

ρ = 0 α = 1

In der Praxis kommt das Idealbild des Schwarzen Strahlers auf Grund unterschiedlicher Materialien und Strukturen nie oder sehr selten vor, es treten die oben genannten Verluste wegen geringerer Absorption auf.

Das Kirchhoffsche Gesetz stellt den Zusammenhang zwischen einem schwarzen Körper und einem realen Körper her. Der Emissionsgrad gibt das Verhältnis der Strahlungsenergie eines Körpers zur Strahlungsenergie eines idealen schwarzen Körpers bei einer bestimmten Temperatur an [3].

Körper schwarzer Strahlung EmittierteKörper realer Strahlung Emittierte radEmissionsg =)(ε ( 8.3)

Aus der Gleichung 8.2 erkennt man, dass die emittierte Strahlung gleich der absorbierten Strahlung ist.

11

Körper schwarzer Körper realer radEmissionsg ρτ

ααε −−

==)( ( 8.4)

Der Emissionsgrad ist eine materialabhängige und oberflächenspezifische Größe. Tabelle 8-2 zeigt den gemessen Emissionsgrad für einige Gegenstände [10].



Tabelle 8-2: Emissionsgrade für einige Gegenstände Gegenstand (Wellenlänge 8 bis 14 µm) Emissionsgrad

Schwarzer Körper 1,0 Menschliche Haut 0,98 Schwarzer Mattlack; Ruß; Wasser 0,95 Holz 0,80 bis 0,92 Mauwehrwerk; Gummi; Kunststoffe; Porzellan; Keramik; Papier 0,85 bis 0,95 Asphalt 0,85 Textil 0,75 bis 0,95 Graphit 0,75 bis 0,92 Zement 0,90 Glas; Quarz 0,80 Aluminium 0,92

8.1.2.3 Das Stefan-Boltzmann-Gesetz

Die Physiker Stefan und Boltzmann stellten ein Gesetz auf, mit dem der Zusammenhang der Abstrahlung und der Körpertemperatur hergestellt werden kann. Je wärmer ein Körper wird, desto mehr Infrarot-Energie emittiert er. Die von einem Körper emittierte Energie steigt mit der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur [7].

4TP ⋅⋅= σε ( 8.5)

Dabei ist die Strahlungsintensität in Watt pro Quadratmeter [Watt/mP 2], ε der Emissionsgrad, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante [5,669 x 10-8 Watt/m2K4] und T die absolute Temperatur, gemessen in Kelvin, also mit dem absoluten Nullpunkt als Bezugstemperatur. Das bedeutet, dass es dann vollkommen dunkel wird, wenn die Temperatur am absoluten Nullpunkt angekommen ist. Thermografie funktioniert im Prinzip also immer.

Wichtig ist die Abhängigkeit der abgestrahlten Intensität in der vierten Potenz von der Temperatur. Das bedeutet, dass eine geringe Temperaturänderung schon einen sehr großen Unterschied in der Helligkeit ausmacht. Das ist die Ursache dafür, dass Thermografie ein hochgenaues Verfahren zur Temperaturmessung ist



8.1.2.4 Das Wiensche Verschiebungsgesetz

Der Physiker Wien beschrieb den Zusammenhang des Abstrahlungsmaximums und der Temperatur in einem Gesetz, also die Wellenlänge, bei der die maximale Energie emittiert wird, verkleinert sich proportional mit steigender Temperatur [7].

=máxλT

Km ⋅µ2980

( 8.6)

Hierbei ist maxλ die Wellenlänge, bei der das meiste Licht abgestrahlt wird und T die absolute

Temperatur, gemessen in Kelvin. Nimmt man z.B. eine Temperatur von 27°C, so wird eine absolute Temperatur T von 300 Kelvin und ein Abstrahlungsmaximum bei 9,93 µm erhalten, also mitten im thermischen IR-Bereich.

8.1.2.5 Die Plancksche Kurve

Am Anfang dieses Kapitels steht, dass jeder Körper Strahlung aussendet und dass die von einem Körper ausgesandte Strahlungsintensität in Abhängigkeit zu seiner Temperatur steht. Zudem kann man auch erkennen, dass die Temperatur auch einen Einfluss auf die Wellenlänge hat, in der die meiste Strahlung ausgesandt wird.

Die Plancksche Kurve beschreibt das Verhältnis zwischen Temperatur und Strahlungsintensität. Die Strahlungsintensität wird auch spektrale spezifische Ausstrahlung genannt. Nach Max Planck gilt für die spektrale spezifische Ausstrahlung des schwarzen Körpers [3]:

1

15

−=

T2cS

e

1cTMλ

λ λλ .),( ( 8.7)

82 107432 ×=⋅⋅⋅= ,hcc1 π [Watt.µm4.m-2]

41043881 ×=⋅= ,/ khcc2 [µm.K]

Hierein ist die Lichtgeschwindigkeit, das Plancksche

Wirkungsquantum [J.s], die Boltzmannkonstante [J/K] und

8109982 ×= ,c 341062566 −×= ,h2310380541 −×= ,k T die absolute

Temperatur, gemessen in Kelvin.

Die berechnete spektrale spezifische Ausstrahlung nach Gleichung 8.7 ist in Abb. 8-5 mit Strahlertemperatur als Parameter angeben.



Wiensche Gesetz 32

Stra

hlung

sinten

sität

[Watt

/ m2 /

µm]

28

24 300 K

20

1

Abb. 8-5: Plancksche Kurve

Aus Abb. 8-5 erkennt man, dass sich das Maximum der spektralen, spezifischen Ausstrahlung mit zunehmender Strahltemperatur zu niedrigeren Wellenlänge verschiebt. Die Wellenlänge mit der maximalen Ausstrahlung wird durch das Wiensche Verschiebungsgesetz berechnet (Gleichung 8.6).

Bei bekanntem Emissionsgrad kann man die spezifische Ausstrahlung eines jeden Körpers aus der spezifischen Ausstrahlung des Schwarzen Körpers berechnet werden:

),(),( TMTM S λελ λλ ⋅= ( 8.8)

8.2 Sensortechnik

8.2.1 Das Messprinzip der Infrarot-Messung

Die berührungslose Temperaturmessung mit Infrarotsensoren ist ein modernes, zuverlässiges und schnelles Messverfahren.

Ein elementarer Infrarotsensor erfasst durch eine Linse die von Objekt emittierte Energie und lenkt diese auf einen oder mehrere Infrarot-Detektoren. Dort wird die IR-Energie in elektrische Signale umgewandelt, die dann auf Grundlage der Kalibrierung des Sensors in Temperaturwerte umgerecht werden kann (Abb. 8-6) [10].

Messbereich - Raumtemperatur

0 4 8 12 16 20 24 28

6

12

8

4

1

250 K

200 K

150 K

Wellenlänge [µm]



Objekt Optik Elektronik Messwert

Infrarot-Strahlung

Chip

°C

Abb. 8-6: Messprinzip eines elementaren Infrarotsensors

8.2.2 Infrarotsensorentype

Gekühlte Sensoren

Sensoren für thermisches IR haben ein naturgegebenes Problem: Sie sehen sich zunächst einmal selber, weil sie einfach wie jeder Körper auch IR-Licht aufgrund ihrer Eigentemperatur aussenden. Dadurch würde ein sehr hoher störender Untergrund erzeugt, wenn diese Sensoren nicht sehr tief gekühlt werden.

Für Halbleiterphysiker: Bei höheren Temperaturen überschreitet das thermische Rauschen die extrem niedrige Band-Gap-Schwelle des Sensormaterials, wodurch sich der Sensor selber blendet.

Die Kühlung auf kryogene Temperaturen vermeidet diese schädlichen Effekte. Für die messende Thermografie sind diese Sensoren Pflicht.

Pyroelektrische Sensoren

Es ist möglich, Sensoren für thermisches Infrarot zu bauen, die nicht gekühlt werden müssen: man findet sie zum Beispiel in den bekannten Bewegungsmeldern. Gegenüber den gekühlten Sensoren haben sie bis auf die nicht notwendige Kühlung nur Nachteile: Sie brauchen entweder bewegte Motive, da sie keine statischen Objekte wahrnehmen können oder sie haben sehr hohe Rauschpegel und sind wegen der sehr hohen abzuziehenden Untergründe nur schlecht kalibrierbar. Für die Thermografie sind diese Sensoren weniger geeignet.

Exoten

Für die Thermografie sind diese Sensoren aufgrund ihrer Unempfindlichkeit und ihrer Trägheit ohne Bedeutung: Damit sind Sensoren gemeint, die auf die Erwärmung reagieren, die durch die Absorption von IR-Licht (und anderer Strahlung) eintritt. Das sind die Thermosäulen und die Golayzellen. Weiterhin gibt es einige Halbleiterelemente, die ihren elektrischen widerstand mit der



Belichtung durch IR-Licht ändern. Auch sie sind sehr träge und unempfindlich, so dass sie sich nicht für die Thermografie eignen.

8.2.2.1 Kühltechnik

Die einfachste Kühlung für Sensoren, die das brauchen, ist simpler flüssiger Stickstoff. Der Stickstoff wird in ein Dewar mit dem Sensor eingefüllt, in dem er dann langsam verdampft. Dabei wird die Temperatur des Sensors auf -196°C gehalten und die eindringende Energie durch die Verdampfungswärme aufgenommen. Die heutige Isolationstechnik lässt Betriebsdauern von halben Tagen pro Füllung zu, so dass Messabläufe durch andauendes Kühlmittelnachfüllen nicht gestört werden. Muss man noch tiefer kühlen, muss man zu verflüssigtem Helium greifen.

Sensoren für den Mittelwellenbereich brauchen nicht so stark gekühlt werden. Hier reicht eine mehrstufige Kühlung mit Peltierelementen aus. Nachteil der Peltierkühlung ist deren extrem hoher Stromverbrauch, so dass auch hier eine Kühlung mit Flüssigstickstoff wirtschaftlicher sein kann.

Eine neuere Entwicklung ist die Kühlung von Infrarotsensoren mit kleinen Kühlmaschinen auf Basis des Stirling- oder des Pulsestube-Prozesses. Das macht von der Versorgung mit verflüssigten Gasen unabhängig, obwohl damit ebenfalls kryogene Temperaturen erreicht werden.

Nachteil dieser Kühltechnik ist der hohe Preis und die begrenzte Lebensdauer der heliumgefüllten, extrem präzisen und entsprechend empfindlichen Kühlmaschinen.

8.3 Auswahlkriterien zur Infrarotsensorauswahl

Einige Fragen müssen sich zuerst stellen, um den für unsere Anwendung Infrarotsensor zu finden:

8.3.1 Welcher Temperaturbereich soll gemessen werden?

Da unser Ziel die Anwesenheit eines Menschen zu bestimmen ist, soll unser Infrarotsensor in der Nähe von der Temperatur des menschlichen Körpers messen zu können. Aus Abb. 8-7 erkennt man, dass die menschliche Temperatur in einer warmen Raumumgebung circa 36°C beträgt.



Temperaturfeld des menschlichen Körpers in kalter (a) u. warmer (b) Umgebung.

Abb. 8-7: Körpertemperatur

8.3.2 Aus welchem Material besteht das Messobjekt?

Jeder Körper mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes von minus 273,15°C (= 0 Kelvin) sendet an der Oberfläche infrarote Strahlen aus. Die abgegebene Energie steht in einer festen mathematischen Beziehung zur Oberflächentemperatur. Sie wird von Infrarotsensoren gemessen, in elektrische Signale umgewandelt und als Temperaturwert angezeigt.

Um genaue Messwerte zu erhalten, verstellt man am Infrarotsensor den Emissionsfaktor. Der Wert muss bekannt sein oder durch eine Referenzmessung bestimmt und bei der Messung berücksichtigt werden.

Da die Hände des Werkers erkannt werden müssen, soll die Emissionsfaktor berücksichtigt genau eingestellt werden, damit es ein zuverlässiges Messergebnis erhalten wird.

In der Tabelle 8-2 kann man den Emissionsfaktor von 0,98 für die menschliche Haut herausfinden. Bei komfortablen Geräten ist der Emissionsfaktor einstellbar und bei manchen Geräten ist der Emissionsfaktor auf einen gebräuchlichen Wert, z.B. 0.95, fest eingestellt. Der Emissionsfaktor muss exakt eingestellt werden, denn er selbst kann bis zu 10% Fehler in die Messungen ergeben.



8.3.3 Füllt das Messobjekt den Messfleck aus?

Der Messfleck ist der Sehwinkel, an dem das Messinstrument arbeitet und wird durch die Optik der Baueinheit angesetzt. Um eine akkurate Temperaturmessung zu bekommen, soll das Messobjekt den Messfleck komplett ausfüllen (Abb. 8-8).

Da die Infrarotsensoren die Durchschnittstemperatur aller Oberflächen innerhalb des Messfleck ermitteln, kann sich ein Messfehler ergeben, wenn die Hintergrundtemperaturen anders als das Messobjekt sind [3].

Messergebnis inkorrekt

Hintergrund Messergebnis

korrekt

OpBestimmun

EinEntfernung

IR-Sensor

Abb. 8-8: Messfleck des Infrarotsensors

Objekt kleiner als Messflek

Objekt und Messflek gleich groß

Objekt größer als Messflek

tische Diagramme, die von Herstellern zur Verfügung gestellt werden, können bei der g der Messfleckgröße bei unterschiedlichen Entfernungen helfen.

Messgerät, wie welches aus dem Optischen Diagramm von Abb. 8-9, kann z.B. in einer von 20 cm die Temperatur von Objekt ermitteln, die nur 6 mm groß sind [16].



0 150 300 450 600 750

Abb. 8-9: Optisches Diagramm eines Infrarotsensors

IR-Sensor

Mess

fleck

durch

mess

er

(mm)

65 50 32 15 8 23

Scharfpunkt

6 mm @ 200 mm

Abstand des Sensors zu Objekt (mm)

Das Distanzverhältnis ( ) gibt das Verhältnis der Entfernung eines Objekts zum IR-Sensor bei dem Messfleckdurchmesser an.

D

)()(

MED

urchmesserMessfleckd Entfernung

=

oder

MED :=

( 8.9)

Das Distanzverhältnis oder Optische Auflösung wird im Scharfpunkt des Sensors gerechnet. Für den IR-Sensors aus Abb. 8-9 hat man z.B. ein Distanzverhältnis von 30:1.

Um die Hände des Werkers zu erkennen, muss man deswegen einen Infrarotsensor wählen dessen Messfleck die Hände komplett decken kann.

8.3.4 Welchen Spektralbereich soll benutzt werden?

Der Spektralbereich eines Infrarotsensors ist die Breite des IR-Spektrums, die bedeckt wird. Zwei Kriterien, die direkten Bezug zum Auswahl der Wellenlänge haben, sind die Intensitätsmaxima und der Temperaturbereich.

Das Intensitätsmaxima zieht die Aufmerksamkeit auf sich, da eine Messung sich leichter ermöglicht, wenn man eine Wellenlänge wählt, welche für die gewünschte Messtemperatur zur maximalen Strahlungsintensität führt.



Wenn man z.B. die Wellenlängen A und B (Abb. 8-10) in der Temperatur von 300K vergleicht, erkennt man, dass die Wellenlänge A eine größere Strahlungsintensität hat, und zwar so, dass das Intensitätsmaxima der 300K-Plancksche Kurve bei ihr liegt.

Der Temperaturbereich beeinflusst die Auswahl des Spektralbereichs, denn er bezieht sich abhängig von der Wellenlänge auf verschiede Breiten der Strahlungsintensität, die wichtig sind, da der Sensor die von Objekt abgestrahlte Energie erfasst.

Für einen Temperaturbereich z.B. zwischen 250 K und 300 K erkennt man, dass ein breiterer Strahlungsintensitätsbereich bei der Wellenlänge C als bei der von D verliegt (Abb. 8-10).

Abb. 8-10: Intensitätsmaxima und Temperaturbereich

Da die Messanwendung sich bei Raumtemperatur befindet, und fähig sein muss, die Körpertemperatur (Hände) zu messen, wird ein Infrarotsensor gewählt, der einen Breitbandfilter mit einem Messbereich von 8 µm bis 14 µm benutzt.

8.3.5 Wie schnell bewegt sich das Messobjekt?

Wenn sich nicht nur das Messobjekt bewegt, sondern auch der IR-Sensor, der am Roboterarm angehängt ist, soll man sich auf eine relative Annährungsgeschwindigkeit Rücksicht nehmen (Abb. 8-11):.

Drei Variablen sind zu berücksichtigen, um eine Kollision zu verhindern

Messbereich - Raumtemperatur

0

32

28

24

20

16

12

8

4

1

300 K

D

C

B

A

250 K Stra

hlung

sinten

sität

[Watt

/ m2 /

µm]

4 8 12 16 20 24 28

Wellenlänge [µm]



die relative Annährungsgeschwindigkeit ( vr ) zwischen Mensch und Roboter,

die Entfernung ( sr ) zwischen Roboterarm und Mensch und

die Reaktionszeit ( ) des Sensors, dass heißt, die Zeit, in der Mensch und Roboter sich im Tot-Bereich bewegen.

t

Abb. 8-11: Anforderung an die Ansprech

v

s

Immer wenn aus Gleichung 8.10 für die Entfernungherauskommt, kann man von einer Kollision sprechen.

tvss ⋅−=rrr

0

Hierein ist die Anfangsentfernung zwischen Rob

errechnet, dass sich die maximale Annährungsgeschwindbefindet.

0sv

Der Infrarotsensor misst nur im nahen BereichAnfangsentfernung sehr klein sein kann. Nimmt man z.B. eisich, dass die Reaktionszeit kleiner als 27 ms sein muss, um

>⋅− tvs rr0 0

6310 ,, − >⋅ t 0

Recherche alternativer Sensoren für ein Überwacder Mensch-Roboter-Kooperation in einer fle

zeit

sr ein „negativer Wert“ nach einer Zeit t

( 8.10)

oterarm und Mensch. In Kapitel 5 wurde

igkeit im ungünstigsten Fall bei 3,6 m/s

der Roboterarm, das heißt, dass die nen Anfangswert von 10 cm an, so ergibt eine Kollision zu vermeiden.

hungssystem im Rahmen xiblen Montagezelle 42


<t ms 27 s 0,027 3,60,1 <<

Die Reaktionszeit des Sensors sollte aus diesen Grund sehr gering sein. Eine Ansprechzeit bis zu 10 ms wäre optimal.


Kapitel 9: Versuchen und Auswertung der IR-Sensoren

Zur Überprüfung der Infrarotsensoren auf Eignung zur Umsetzung der Mensch-Roboter-Kooperation werden die folgenden IR-Sensoren geprüft:

IN300 der Firma OMEGA

OS551 auch der Firma OMEGA

KT22 der Firma HEITRONICS

Um einen passenden IR-Sensor zu wählen, müssen die technischen Daten der Sensoren analysiert werden, ob diese Sensoren unsere Anforderungen erfüllen.

9.1 IR-Sensor OMEGA IN300

Der IN300 ist ein kontaktloser Infrarottemperatursensor, der rein passiv arbeitet (Abb. 9-1). Er nimmt über die Linse die Wärmestrahlung aus einem bestimmten Bereich auf, dem Messfeld.

Abb. 9-1: IR-Sensor (OMEGA IN300)

9.1.1 Technische Daten

Preis: 608, - Euro

Spektralbereich: 8 - 14 µm

Temperaturbereich: -20...500°C

Ausgangsignal: 4...20 mA DC (linear)

Emissionsfaktor: von 0,4 bis 1,0 einstellbar

Ansprechzeit: 300 ms



Abmessungen: 25 x 120 mm

Distanzverhältnis (Abb. 9-2):

Abb. 9-2: Optisches Diagramm des IN300-Sensors

Messfelddurchmesser (mm) 85 48

120

25

20

14

8 0

Aus den technischen Daten [11] erkennt man, dass dieser Sensor fast alle Anforderungen erfüllt. Das einzige Problem liegt bei der langen Reaktionszeit des Sensors. Deswegen werden, genau wie bei den US-Sensoren, einige Messungen mittels eines Oszilloskops durchgeführt.

Da dieser IR-Sensor nur Ausgangsignale als Stromstärke (A) herausgibt, wird einen Wiederstand von 0,5 KΩ benutzt, um die Ausgangsignal als Spannung (V) zu erhalten. So hat man statt den 4–20 mA Bereich, den 2–10 V Bereich, der sich von der Temperatur abhängt (Tabelle 9-1) [11].

Tabelle 9-1: Temperatur und Ausgangssignal (IN300) Temperatur (°C) Ausgang (mA) Ausgang (V)

0 4 2 20 7,2 3,6 30 8,8 4,4 36 9,8 4,9 40 10,4 5,2 M

100 M

20 M

10

Abb. 9-3 stellt eine der Messungen für den 10 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 187 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen werden Ansprechzeiten ermittelt, die sich ab 150 ms befinden.

Messabstand (mm)

150

300 600

1000



Abb. 9-3: Messungen: 10 cm Abstand (OMEGA IN300)

Abb. 9-4 stellt eine der Messungen für einen 20 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 153 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen werden Ansprechzeiten ermittelt, die ab 150 ms sich befinden.

Abb. 9-4: Messungen: 20 cm Abstand (OMEGA IN300)

Für alle Messungen kann man auch bemerken, dass der Unterschied zwischen das Ausgangsignal der Raumtemperatur (25°C) von ungefähr 3,9 V und das Ausgangsignal der Hand-Temperatur (36°C) von ungefähr 4,8 V genügend von 0,9 V war.

Nach aller Versuchen hat der Sensor wirksam funktioniert, um die Anwesenheit von den Hände zu erkennen und nicht von anderen Gegenständen.



Trotzdem, aufgrund der langen Reaktionszeit des Sensors, passiert es, dass wenn man den Roboter schneller laufen lässt, die Ansprechzeit des Überwachungssystem nicht klein genug ist, um Kollisionen zu vermeiden.

Um dieses Problem der langen Reaktionszeit zu lösen, wird ein schnellerer Infrarotsensor der Firma Omega bestellet und geprüft.

9.2 IR-Sensor OMEGA OS1551

Der OS1551 ist auch ein kontaktloser Infrarottemperatursensor, der rein passiv arbeitet, wie der IN300 (Abb. 9-5).

Abb. 9-5: IR-Sensor (OMEGA OS1551)


Preis: 700, - Euro


Temperaturbereich: 0...550°C

Ausgangsignal: 4...20 mA DC

Emissionsfaktor: von 0,05 bis 0,99 einstellbar

Ansprechzeit: ab 10 ms


Distanzverhältnis (Abb. 9-6):



Abb. 9-6: Optisches Diagramm des OS1551-Sensors

Messfelddurchmesser (mm)

Messabstand (mm)

37

500

48

750

64

1000

250

3

203

69

Aus den technischen Daten [12] erkennt man, einerseits dass dieser Sensor prinzipiell die Anforderung nach einer kurzen Reaktionszeit erfüllen kann.

Anderseits gibt es ein Problem mit den Außenabmaße dieses Sensors, da er tatsächlich nicht kompakt genug ist. Und wenn man sich daran erinnert, dass mehrere Sensoren an die Roboterarm angestellt werden müssen, wäre es unmöglich so einen Sensor zu benutzen.

Außer den üblichen 10 cm und 20 cm Messungen, werden dieses Mal zwei andere Messungen durchgeführt: eine für einen 1 m Abstand, und andere für einen 20 cm Abstand, aber nicht mit der Hand, sondern mit dem bekleideten Arm eines Menschen.



Abb. 9-7 zeigt eine der Messungen für den 10 cm Abstand. Ein Ansprechzeitwert von 39,6 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen werden sogar Ansprechzeiten ermittelt, die sich bei 80 ms befinden.

Abb. 9-7: Messungen: 10 cm Abstand (OMEGA OS1551)

Abb. 9-8 stellt eine der Messungen für einen 20 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 72,4 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen werden Ansprechzeiten bis 80 ms ermittelt.

Abb. 9-8: Messungen: 20 cm Abstand (OMEGA OS1551)



Abb. 9-9 stellt eine der Messungen für einen 1 m Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 40,9 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen wurden Ansprechzeiten ermittelt, die maximal bis 50 ms sich befinden.

Abb. 9-9: Messungen: 1 m Abstand (OMEGA OS1551)

Abb. 9-10 stellt eine der Messungen für einen 20 cm Abstand mit Kleidung dar. In diesem Fall will man wissen, ob der Sensor den Arm erkennen kann und auch ob das Ausgangsignal genauso groß ist, wie bei den Hand-Messungen.

Abb. 9-10: Messungen mit Kleidung (OMEGA OS1551)



Ein Ansprechzeitwert von 51,2 ms wurde durch diese Messung herausgefunden und aus den gesamten Messungen wurden Ansprechzeiten ermittelt, die ungefähr bei 50 ms sich befinden. Das Ausgangsignal lag bei 3,5 mV, also fast genau so groß wie die Messungen auf den Händen.

Für alle Messungen kann man auch bemerken, dass der Unterschied zwischen dem Ausgangsignal der Raumtemperatur und dem Ausgangsignal der Hand-Temperatur von 0,5 V genügend war.

Trotz des in den technischen Daten erwähnten Ansprechzeitwertes von 10 ms, wurden für alle Messungen Werte ermittelt, die sich über 50 ms befinden. Die große Außenabmessungen dieses Infrarotsensors sind jedoch eine unüberwindbare Hürde.

9.3 IR-Sensor HEITRONICS KT22

Der KT22 ist auch ein kontaktloser Infrarottemperatursensor, der rein passiv arbeitet (Abb. 9-11).

Abb. 9-11: IR-Sensor (KT22)


Preis: 2360, - Euro


Temperaturbereich: 0...200°C

Ausgangsignal: 0...20 mA DC

Emissionsfaktor: von 0,5 bis 1 einstellbar

Ansprechzeit: 5 ms


Distanzverhältnis KT22 (Abb. 9-6):



Abb. 9-12: Optisches Diagramm des KT22-Sensors

Messfelddurchmesser (mm)

Messabstand (mm)

5

100

11

300

13

500

90

1000

150

33

Aus den technischen Daten [13] erkennt man, dass dieser Sensor prinzipiell allen den Anforderungen entspricht, sogar der einer kurzen Reaktionszeit. Messungen für 10 und 20 cm Abstände werden durchgeführt.

Abb. 9-13 stellt eine der Messungen für einen 10 cm Abstand dar. Ein Ansprechzeitwert von 17,37 ms wurde durch diese Messung ermittelt, und aus den gesamten Messungen werden Ansprechzeiten erhalten, die sich zwischen 15 und 20 ms befinden.

Abb. 9-13: Messungen: 10 cm Abstand (Heitronics KT22)

Ein Ansprechzeitwert von 15,7 ms wurde für einen 20 cm Abstand herausgefunden (Abb. 9-14). Aus den gesamten Messungen werden Ansprechzeiten ermittelt, die sich zwischen 15 und 20 ms befinden.



Abb. 9-14: Messungen: 20 cm Abstand (Heitronics KT22)


Kapitel 10: Zusammenfassung und Schlusswort

Die Wahl des zu verwendenden Sensortyps fiel auf Infrarotsensoren.

Sie können:

analoge Werte liefern, die eine qualitative Aussage über die Anwesenheit des Werkers machen können;

mit einer ausreichenden Anzahl an Sensoren, eine 3D-Auflösung realisieren;

abhängig von der benutzten Sensoren, eine kleine Reaktionszeit erreichen;

abhängig von der Zahl der benutzten Sensoren die Kosten unter denen des Systems mit Videokameras und Bildverarbeitung halten;

den Menschen berührungslos erkennen und von der Umgebung unterscheiden;

10.1 Ausgewählter Infrarotsensor

Eine Marktrecherche hat ergeben, dass eine Vielzahl von Infrarotensensoren für die unterschiedlichsten Bereiche, wie z.B. für industrielle Prozessüberwachung und -regelung; für Messung hoher Temperaturen an Metallen, Keramik, Gläsern und Kohlenprodukt; für den Einsatz in Überwachungsanlagen, eingesetzt werden.

Für den Einsatz im alternativen Überwachungssystem der Mensch-Roboter-Kooperation hat sich herausgestellt, dass der Infrarotsensor KT22 der Firma Heitronics vergleichsweise zu den anderen ausgewählten und analysierten Sensoren bestens unseren Anforderungen entspricht.

10.2 Realisierung der Konzeptslösung

Die Anordnung der Sensoren ist folgendermaßen festgelegt: Für die Überwachung des Nah- oder Tot-Bereichs werden Sensoren rund um den Werkzeugbereich, nach unten gerichtet, angeordnet. Sie sollen einen Schirm um das Werkzeug bilden. Dringt ein Objekt in diesen Bereich ein, so wird jede Bewegung des Roboterarms endgültig gestoppt. Die so eingesetzten Sensoren haben also nur eine Schaltfunktion.



10.2.1 Datentransfer

Die von den Sensoren gelieferten Werte werden auf einem Rechner mit I/O-Karte visuell dargestellt. Von diesem Kartenrechner werden die Daten an den Regelungsrechner weitergegeben. Der Datentransfer vom Karten- zum Regelungsrechner erfolgt über TCP / IP. Anschliessend werden sie im Regelungsrechner ausgewertet (Abb. 10-1).

Abb. 10-1: Blockstruktur des Systems mit IR-Sensoren

Karten-PC

Steuerung - IQ200

Feldbus CAN1

TurboScara SR8

Regelungs-PC

Visual C++ Sensoren

TCP/IP

TCP/IP

Tatsächlich sind Karten- und Regelungs-PC in einem Rechner integriert, zur besseren Übersicht jedoch getrennt dargestellt.

Zur Überwachung des Prozesses existiert ein Visualisierungs- und Diagnosetool. (Abb. 10-2)



Abb. 10-2: Visualisierungs- und Diagnosetool

Graphische Darstellung des

Roboterarms

Mensch-Roboter-Abstand

Velocity-Faktor

Der Velocity-Faktor dient zur Regelung der Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters. Dieser wird mit der maximalen Geschwindigkeit des Roboters multipliziert und hat somit einen Wertebereich von 0 bis 1. Der Ausgangssignalbereich der Infrarotsensoren liegt bei 0-10 V.

Da Sensoren unterschiedliche Temperaturmessbereiche haben können, ändert sich bei gleichbleibendem Eingangssignal (Temperatur des Menschen = 36°C) das Ausgangssignal → Berücksichtigung des Ausgangssignals in der Regelungssoftware bzw. im Quellcode. Die Verarbeitungssoftware der Regelung ist in C++ geschrieben, Version Visual C++ 6.0.

10.3 Schlusswort

Nach diesem Abschnitt des Projektes kann von einer gleichwertigen Alternative nicht gesprochen werden. Die lückenhafte Überwachung des Arbeitsplatzes mit Infrarotsensoren ist ein großes Problem bei der Realisierung der Mensch-Roboter-Kooperation.

Bauform und -Größe der Sensoren führen zu Einschränkungen bei der Installation. Als Alternative wären IR-Sensoren von der Bauform zu verwenden, bei der sich Sensorkopf und



Auswerteelektronik nicht in einem Gehäuse befinden. Mit diesen wäre eine dichtere Belegung des Roboterarms mit Sensoren besser möglich, da sie weniger Platz in Anspruch nehmen.

Vorteilhaft sind die kürzeren Reaktionszeiten und der niedrigere Hardwareaufwand. Diese kürzeren Reaktionszeiten der Sensoren entsprechen jedoch nicht direkt kürzere Reaktionszeiten des gesamten Systems.

Als Alternative zu Infrarotsensoren sollte auch die Möglichkeit des Einsatzes eines komplementären Sensortyps diskutiert werden, z.B. kapazitiver Sensoren, taktile Sensoren und Laserscanner, um Lücken in der Arbeitsraumüberwachung zu reduzieren.

In Zukunft sollte die Auswertung von einem Mikrokontroller vorgenommen werden. Diese arbeiten zuverlässig und sind günstiger als Rechner. So kann der Bedarf an Rechnern reduziert werden.


Quellenverzeichnis

[1] SCHRAFT, R., „Die Geschichte des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)“, 1999.

[2] THIEMERMANN, S., „Direkte Mensch-Roboter-Kooperation“, ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, S. 616-620, 2001.

[3] BIERBAUM, U., „Auswahlkriterien und Entwicklungstrends der berührungslosen Temperaturmessung“, Vortrag bei der Messe „MessComp“, Wiesbaden, September 2002.

[4] GRAFF, J., „Intelligente Sensorik zur Mensch-Roboter-Kooperation“, Diplomarbeit, 2002.

[5] GEIS, K., Script Laborversuch zur digitalen Bildverarbeitung, 2000.

[6] SCHULZ, O., Experteninterview, 2002.

[7] TRÄNKLER, H.-R.; OBERMEIER, E., „Sensortechnik, Springer-Verlag“, 1998.

[8] WARNECKE, H., „Lexikon Produktionstechnik Verfahrenstechnik“, S. 41-42, 1995.

[9] HAUßECKER, H., „Messung und Simulation von kleinskaligen Austauschvorgängen an der Ozeanoberfläche mittels Thermographie“, Dissertation, 1996. http://klimt.iwr.uni-heidelberg.de/PublicFG/ProjectB/CFT/

[10] DITTIÉ, G., “Infrarot und Thermografie“, Homepage, 1999. http://www.thermografie.de/

[11] Handbuch des IN300-Sensors, OMEGA Engineering. http://www.omega.de/produkt/t2/in300.html

[12] Handbuch des OS1551-Sensors, OMEGA Engineering. http://www.newportus.com/Products/Infrared/OS1551A.htm

[13] Handbuch des KT22-Sensors, HEITRONICS.

[14] Handbuch der Firma OMEGA Engineering, „Temperature Handbook and Encyclopedia“, Vol. MM, 2. Edition, S. Z57-Z66, 2000.

[15] Handbuch der Firma OMEGA Engineering, „Transactions in Measurement and Control“, Vol. I, 3. Edition S. 17-23, 2000.


Quellenverzeichnis

[16] Broschüre - Firma RAYTEK, „Infrarotsensoren für die Prozessautomatisierung“, 2002.

[17] Web-Seite der Fraunhofer-Gesellschaft: http://www.fhg.de/

[18] Web-Seite des Fraunhofer-Instituts IPA: http://www.ipa.fhg.de/

[19] Web-Seite der Firma Honeywell: http://www.honeywell.de/

[20] Web-Seite der Firma Pepper+Fuchs: http://www.pepperl-fuchs.com/


Anhang A: Übersicht des gesamten Systems

Touchscreen

Regelung

Bildverarbeitung

Main PC

IQ200

TCP/IP

Roboter - Turboscara SR8 Peripherie - SR-CAN-Modul im Roboter 8 digitale Eingänge 8 digitale Ausgänge 4 analoge Eingänge

PHG2000 Online-Programmierung Bedienung Diagnose Maschinenparameter setzen

Bedienung Diagnose

Offline-Programmierung Online-Programmierung SPS-Programmierung Bedienung Diagnose Maschinenparameter setzen

Transfersystem Peripherie - Sensoren - Aktoren - E/A-Module

Kamera 2

Kamera 1

Kamera 3

TCP/IP COM OPC

Feldbus CAN2 - dezentr. E/A

Feldbus CAN1 - dezentr. E/A - Sollwert / Istwerte


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