Der russisch-amerikanische Schriftsteller Isaac Asimov behandelte in seinen Kurzgeschichten Runaround erstmals sogenannte Grundregeln des Roboterdienstes. Die Asimovschen Gesetze gelten heutzutage als Grundregeln für die Entwicklung von Robotersystemen und lauten wie folgt:
- Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen oder durch Untätigkeit zulassen, dass einem menschlichen Wesen Schaden zugefügt wird.
- Ein Roboter muss den ihm von einem Menschen gegebenen Befehlen gehorchen – es sei denn, ein solcher Befehl würde mit Regel eins kollidieren.
- Ein Roboter muss seine Existenz beschützen, solange dieser Schutz nicht mit Regel eins oder zwei kollidiert.
Die sichere Zusammenarbeit zwischen Menschen und Roboter fokussiert insbesondere das erste Asimovsche Gesetz (Asimovs first law). Konventionelle Robotersysteme stellten die Sicherheit für den Menschen durch die strikte Trennung der Arbeitsbereiche bereit. Bei der Entwicklung von Leichtbaurobotern wurde hingegen ein besonderes Augenmerk auf die sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) gesetzt, also das gemeinsame Arbeiten im selben Arbeitsraum.
Hierzu wurden aktive und passive Sicherheitseinrichtungen entwickelt und definiert, die dies zulassen sollen. Unter den aktiven Sicherheitseinrichtungen sind alle über intelligente Steuer- und Regelungstechnik realisierten Verfahren zusammengefasst.
Einerseits beinhaltet dies das Konzept der Nachgiebigkeit, welches es dem Roboter ermöglicht, sich in unbekannten Umgebungen zu bewegen, ohne dass zu hohe Kräfte bei Kollisionen entstehen. Der Roboter reagiert dabei elastisch und nachgiebig. Wirken Kräfte am Roboter, zum Beispiel durch den physischen Kontakt mit einem Menschen, lenkt er in diese Richtung aus. Damit gibt er quasi der Wirkung der externen Kraft nach.
Die Limitierung der Kontaktkräfte ist dabei ein sicherheitskritischer Aspekt, der zusätzlich zur Nachgiebigkeit über eine frühzeitige Erkennung von Kollisionen ermöglicht wird.
Durch die zusätzlichen sensitiven Fähigkeiten eines Leichtbaurobotersystems können sehr kleine von extern auf das Robotersystem wirkende Kräfte erkannt werden. Dies ist notwendig, um bei einer Kollision sehr schnell reagieren zu können, um die Kollisionskräfte so gering wie möglich zu halten.
Eine erste Möglichkeit zur Kollisionserkennung ist die Messung der Momente in den einzelnen Robotergelenken. Für die Erkennung von Kollisionen wird im Millisekundentakt überprüft, ob die gemessenen Gelenkmomente mit den theoretisch berechneten Momenten übereinstimmen. Wird hier eine Abweichung erkannt, kann auf eine Kollision geschlossen werden und der Roboter wird gestoppt. Über diesen Weg ist man in der Lage, eine Kollision an der gesamten Struktur des Roboters zu erkennen. Das heißt, die Kollision kann am gesamten Roboter detektiert werden.
Ein Beispiel zur Sensitivität der Kollisionserkennung mittels Gelenkmomentensensoren ist im folgenden Video zu sehen.
Eine Alternative zu Gelenkmomentensensoren sind Kraftsensoren die am Endeffektor, also am Ende der Roboterstruktur, angebracht sind. Diese können direkt die externen Kräfte messen. Eine aufwendige Berechnung der Abweichung zwischen Messwert und simulierten Kräften im Roboter entfällt hier, wobei nur Kollisionen am Ende der Roboterstruktur erkannt werden können.
Zusätzlich zum Abbremsen der Bewegung wird der Roboter nachgiebig geschaltet. Dadurch wird zum Beispiel das Einklemmen eines Körperteils verhindert. Der Mensch ist also jederzeit in der Lage, sich selbstständig zu befreien.
Neben diesen beiden aktiven Sicherheitseinrichtungen kommen passive Sicherheitseinrichtungen zum Einsatz. Dabei spielt zum Beispiel das Eigengewicht des Roboters eine Rolle. Dies wollen wir im nächsten Blogbeitrag behandeln.