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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung und ein Verfahren zum Absichern einer Mensch-Maschine-Kooperation nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 12.
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Die kooperative Zusammenarbeit von Mensch und Maschine spielt in vielen Bereichen eine Rolle. Obwohl die Maschine kein Roboter sein muss, ist dies das wohl wichtigste praktische Anwendungsbeispiel, und daher wird hier stellvertretend die Mensch-Roboter-Kooperation (MRK) diskutiert. Dabei ist angestrebt, Personen möglichst nahe an dem Roboter arbeiten zu lassen, um den Flächenbedarf für abgetrennte, mechanisch gesicherte Roboterzellen einzusparen und vor allem um Mensch und Roboter in einem gemeinsamen Prozess arbeiten zu lassen. Es besteht dann natürlich ein Bedarf an technischen Lösungen zum Schutz der Personen im Gefahrenbereich des Roboters. Ähnliche Problemstellungen ergeben sich auch für Roboter außerhalb industrieller Prozesse, etwa für Haushaltsroboter oder Roboter in der Pflege und medizinischen Betreuung (personal care robot). Die Norm ISO 13482 Roboter und Robotikgeräte - Sicherheitsanforderungen für persönliche Assistenzroboter beschreibt für einige der genannten Anwendungsfälle die Anforderungen, jedoch keine konkreten Lösungen dafür.
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Für industrielle Roboter ist nach wie vor Stand der Technik, dass Mensch und Roboter voneinander getrennt werden. Beispielsweise werden Schutzfelder um den Roboter definiert, in die keine Person eingreifen darf, ohne den Roboter sicherheitshalber stillzusetzen. Solche Schutzfelder können optisch mit Hilfe von Kameras, insbesondere 3D-Kameras, oder Laserscannern überwacht werden. Das sind relativ komplexe Sensoren mit entsprechendem Installationsaufwand. Die Konfiguration der Schutzfelder erfordert aufwändige Algorithmen, und eine Optimierung ist nicht automatisch möglich, sondern muss durch einen dafür ausgebildeten Experten durchgeführt werden. Damit kann ein guter Kompromiss für Platzbedarf und Verfügbarkeit des Roboters gefunden werden. Eine zeitlich und räumlich enge Kollaboration zwischen Mensch und Roboter ist aber nicht möglich, da die Schutzfelder bestimmungsgemäß einen sicheren Puffer bilden müssen. Für Roboter wie in der Pflege, bei denen Kontakt mit der Person Teil der Aufgabenstellung ist, kommt dieser Ansatz ohnehin nicht in Frage.
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Ein anderer Sicherheitsansatz besteht darin, erst eine Berührung zwischen Roboter und Person beispielsweise durch druckempfindliche Sensoren zu erkennen. Unterbunden wird eine Roboterbewegung erst dann, wenn der Druck zu Schmerzen oder Verletzungen führt. Derartige Roboter, bei denen ein Kontakt zu Menschen erwartet und nicht sicherheitstechnisch verhindert wird, sind auf ein Verletzungen vermeidendes, abgerundetes Design und vergleichsweise geringe Arbeitsgeschwindigkeiten beschränkt. Zudem gibt es zwar Untersuchungen, welche Drücke ein Mensch an welchen Körperstellen ohne Schädigung und Schmerz erträgt, und die Kräfte des Roboters können im Kontaktfall entsprechend begrenzt werden. Allerdings zeigen sich hier von Person zu Person ganz erhebliche Unterschiede. Die Grenzwerte für maximal zulässige Drücke und Aufprallenergien müssen deshalb unpraktikabel niedrig angesetzt werden.
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Aus einem völlig anderen technischen Gebiet als der Mensch-Maschine-Kooperation und der Sicherheitstechnik ist bekannt, körpereigene Größen des Menschen für medizinische oder Forschungszwecke zu messen. Ein Spezialgebiet ist die Hirnforschung mit ihren diversen Ansätzen, die neuronale Aktivität zu erfassen und ein Verständnis für die Prozesse im menschlichen Gehirn zu gewinnen. In Tierversuchen und Pionieranwendungen an menschlichen Patienten wurden auch schon Elektroden in das Gehirn implantiert, um mit den dort abgeleiteten neuronalen Signalen ein Gerät zum Buchstabieren oder eine Prothese zu steuern (BCI, Brain-Computer-Interface). Das alles hat aber mit der sicheren Zusammenarbeit mit einem Roboter, der einem eigenen Steuerungsprogramm folgt und lediglich im Gefahrenfall von außen angehalten wird, nichts zu tun.
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Die
WO 01/33134 A1 offenbart ein Verfahren zum Erkennen von Gefahrensituationen, bei dem von einem Lebewesen ausgehende, physiologische Signale erfasst und ausgewertet werden, um gegebenenfalls automatisiert Maßnahmen zum Entgegenwirken des Gefahrenfalls auszulösen. Das Verfahren wird am Beispiel eines von dem Lebewesen ausgehenden Schreies beziehungsweise Tierlauts beschrieben, zählt aber auch andere Möglichkeiten auf, wie Blutdruck, Pulsfrequenz, Oberflächenleitfähigkeit der Haut, Hirnströme, Reizleitung der Nerven, Bewegungen von Gliedmaßen oder Körpertemperatur.
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In der
DE 10 2013 223 577 A1 wird eine Maschinenbedieneinheit beschrieben, mit dem eine Maschine in einen sicheren Modus überführbar ist. Die Maschinenbedieneinheit kann durch einen Leitwertmesser ein verstärktes Schwitzen der Haut und damit eine Stresssituation erkennen oder den Puls messen und gegebenenfalls die Maschine in einen sicheren Modus überführen. Außerdem sind die Eigenbewegung der Maschinenbedieneinheit überwachende Sensoren möglich, mit denen erkannt wird, ob der Benutzer sie beiseitegelegt, fallen gelassen oder unwillkürlich bewegt hat.
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Die
EP 3 096 066 A1 befasst sich mit einem Handschuh mit Sicherheitsfunktionalität. In den Handschuh sind Sensoren integriert, welche anhand von Nerven- oder Muskelsignalen Schmerz des Benutzers erkennen, um gegebenenfalls eine Werkzeugmaschine anzuhalten.
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Aus der
EP 2 573 445 A1 ist ein Manipulator bekannt, beispielsweise eine Biegepresse, die mittels Lichtgittern abgesichert ist und durch eine abgesetzte, drahtlos verbundene Auslöseeinrichtung bedient wird, welche von dem Bediener auf dem Kopf getragen wird. Die Auslöseeinrichtung umfasst ein Mikrofon und eine Sensoreinrichtung, um ein Schallsignal und/oder eine gezielte Körperbewegung als Befehl an den Manipulator zu erkennen. Dafür ist die Sensoreinrichtung zur Bewegungserkennung ausgebildet, etwa in Form eines Positions- oder Trägheitssensors. Die Sensoreinrichtung ist darüber auch in der Lage, eine unerwartete Bewegung des Bedieners zu ermitteln, wenn dieser beispielsweise das Bewusstsein verliert und zu Boden fällt, und dann den Manipulator in einen sicheren Zustand zu überführen. Als weitere Möglichkeit ist erwähnt, mit der Sensoreinrichtung Puls, Temperatur und/oder Hautwiderstand zu prüfen, um den Manipulator auch dann in einen sicheren Zustand zu überführen, wenn der Bediener die Auslöseeinrichtung eventuell abgelegt hat.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Sicherheit bei einer Mensch-Maschine-Kooperation auf eine verbesserte Weise zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sicherheitsvorrichtung und ein Verfahren zum Absichern einer Mensch-Maschine-Kooperation nach Anspruch 1 beziehungsweise 12 gelöst. Die Sicherheitsvorrichtung dient der Absicherung einer Interaktion oder zumindest räumlichen Nähe von Mensch und Maschine, etwa eines Werkers und eines Roboters an einer Arbeitsstation beziehungsweise in einer Roboterzelle oder einer hilfsbedürftigen Person beziehungsweise eines Patienten und eines Pflegeroboters. Dabei ist ein Sensor vorgesehen, der die Situation und damit Person oder Roboter oder beides überwacht. Wird dabei ein Gefahrenereignis erkannt, so wird die Maschine über eine Steuerung in einen sicheren Zustand überführt. Das kann ein Verlangsamen, ein Ausweichen oder ein Nothalt sein. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, dass der Sensor ein Körpersignal der Person erfasst. Das Körpersignal entsteht oder verändert sich vor oder in einer Gefahrensituation, wofür verschiedene körpereigene Signale in Frage kommen, etwa Herzschlag, Feuchtigkeit der Haut, Muskelanspannung, Hormone wie Adrenalin und die Aktivität von Nervenzellen in diversen noch zu diskutierenden Ausprägungen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Fähigkeiten des menschlichen Körpers zur Erfassung von Umgebungsinformationen in das Sicherheitskonzept einbezogen werden. Der Mensch verfügt nämlich bereits über ein vorhandenes, auf die Vermeidung von Gefährdungen und Schädigungen hin optimiertes Sensoriksystem. So können Verletzungen durch Ausnutzen personeneigener Sinne und deren Verarbeitung vermieden werden, beispielsweise um gefährdende Roboteraktionen zu erkennen und dann zu verlangsamen oder zu stoppen. Sicherheitsabstände zwischen Mensch und Maschine lassen sich minimieren, sogar gänzlich darauf verzichtet und eine Berührung erlaubt werden, wo eine besonders intensive Kollaboration sinnvoll ist. Das betrifft die gemeinsame Bearbeitung von Werkstücken, in denen der Mensch seine hohe Flexibilität und Adaptionsfähigkeit, der Roboter dagegen seine Kraft und Präzision beiträgt, aber beispielsweise auch Pflegeroboter, die den Patienten im Alltag begleiten. Dabei müssen auch nicht vorsichtshalber extrem niedrig angesetzte allgemeine Grenzwerte gesetzt werden, sondern Maßstab kann vielmehr das individuelle Druck- und Schmerzempfinden sein, was den Komfort und die Verfügbarkeit erhöht.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt dafür ausgebildet, neuronale Aktivität der Person zu bestimmen. Die Signale von Nervenzellen sind direkt mit der Wahrnehmung und dem Bewegungsverhalten der Person verknüpft und daher die vielseitigste Informationsquelle. Dabei ist je nach Ausführungsform die unmittelbare sensorische Information in der Nähe der Sinnesorgane wie Aktivität in höheren Verarbeitungsstufen näher am oder im Gehirn nutzbar.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt dafür ausgebildet, Muskel- oder Nervenaktivität an einer Extremität der Person zu bestimmen, wie Arm, Bein, Hand oder Fuß. Im Muskel ist eine ungewöhnliche Anspannung oder sogar eine ansetzende plötzliche Ausweichbewegung erfassbar. Die efferenten, also zum Muskel ziehenden Nerven liefern diese Informationen auch. Die afferenten, d.h. zum Gehirn beziehungsweise Rückenmark ziehenden Nerven tragen dagegen die den Tast- und Schmerzsinn bestimmenden Informationen. Das sind alles wichtige Indikatoren, mit deren Hilfe die Sicherheitsvorrichtung erkennen kann, dass die Person eine Gefährdung empfindet oder einem nicht mehr angenehmen Kontakt mit dem Roboter ausgesetzt ist.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt dafür ausgebildet, neuronale Aktivität in Wirbelsäule oder Gehirn der Person zu bestimmen. In solchen Ausführungsformen wird die Information auf einer höheren Verarbeitungsebene erfasst. Befehle an die Muskeln und Sinneswahrnehmungen werden bereits durch die Wirbelsäule geleitet. Das Gehirn bietet eine Vielzahl weiterer Ansätze. So findet sich im visuellen Cortex neuronale Aktivität entsprechend der von der Person gesehenen Situation, der Motorcortex plant und steuert Bewegungen der Muskeln, der somatosensorische Cortex nimmt eine Kollision oder Schmerzen wahr. Areale wie der Präfrontalcortex, die für höhere Hirnfunktionen zuständig sind, bewerten die Gefährdung und mögliche Auswege. Die Amygdala ist wesentlich an starken emotionalen Reaktionen auf eine ungewöhnliche Situation und insbesondere Angstempfinden beteiligt. Eine Gefahr oder ernsthafter Schmerz spiegelt sich aber im Gehirn auch ganz allgemein durch ungewöhnliche Aktivität in zahlreichen Arealen wider, die gar nicht unbedingt lokalisiert oder im Einzelnen verstanden werden muss. Die Sicherheitsvorrichtung hat immer die Möglichkeit, im Zweifel bei einem Aktivitätsmuster, das sie nicht einordnen kann, vorsichtshalber eine sicherheitsgerichtete Abschaltung des Roboters einzuleiten, denn Einschränkungen der Verfügbarkeit sind im Vergleich zu Sicherheitsrisiken leicht hinzunehmen. Im Nachhinein kann die Situation anders bewertet werden, und die Sicherheitsvorrichtung lernt dies für die Zukunft dazu.
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Der Körpersignalsensor weist bevorzugt mindestens eine Elektrode zur Erfassung von Aktionspotentialen auf. In der Praxis werden keine einzelnen Aktionspotentiale erfasst, sondern nur deren Überlagerung aus einer Vielzahl von Neuronen. Das gilt insbesondere für Techniken wie Elektroenzephalographie (EEG) oder Magnetoenzephalographie (MEG), die von außen messen und daher zur Auflösung von Einzelereignissen einen viel zu großen Abstand haben. Bessere Ortsauflösung vermitteln Implantate, beispielsweise intrakranielle Elektrodenmatrizen, die direkt auf dem Hirngewebe aufliegen (ECoG, Elektrocorticographie). Technisch ist auch die Einzelzellableitung durch in das Hirngewebe eindringende Elektroden durchaus möglich, dies wird aber aus naheliegenden Gründen nur bei ganz speziellen medizinischen Indikationen in Betracht kommen.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt für ein bildgebendes Verfahren ausgebildet. Das sind Verfahren wie Positronenemissionstomographie (PET), funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) beziehungsweise funktionelle Kernspintomographie (fKST), Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) oder Nahinfrarotspektroskopie (NIRS). Dabei werden keine Aktionspotentiale gemessen, vielmehr ist das Verfahren indirekt und erkennt den erhöhten Stoffwechsel aktiver Neuronen. Das hat Auswirkungen auf die Zeitauflösung. Der Vergleich der Ortsauflösung hängt von der konkreten Ableittechnik mit Elektroden ab, zumindest gegenüber nicht-invasiven Verfahren wie EEG sind die bildgebenden Verfahren überlegen. Zwar sind Geräte für bildgebende Verfahren groß, nicht mobil, komplex und teuer. In manchen Anwendungsfällen, etwa bei einem stationär von einem Roboter betreuten Patienten, ist das aber kein Hinderungsgrund. Dafür sind die Verfahren berührungslos, und außerdem schreitet auch hier die Miniaturisierung voran.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt für einen direkten Kontakt mit der Haut der Person ausgebildet. Diese Berührung vereinfacht die Erfassung des Körpersignals oder ist sogar Voraussetzung dafür.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt zumindest teilweise in den Körper der Person implantierbar. Beispielsweise werden eine Elektrode oder ein Elektrodenfeld in einen Muskel, die Wirbelsäule oder das Gehirn implantiert. Der massive Eingriff in den Körper ist selbstverständlich nicht in allen Anwendungen gerechtfertigt, jedoch gerade im medizinischen Bereich können die Vorteile weit überwiegen. Es ist auch denkbar, dass entsprechende Implantate ohnehin vorgesehen sind, beispielsweise ein Motor-BCI zur Ansteuerung eines Computers oder einer Prothese, die dann mit genutzt oder erweitert werden. Auch ist die Toleranz für in den Körper eingesetzte Chips außerhalb medizinischer Notwendigkeiten schon heute sehr unterschiedlich und wird sich mit zunehmender Verfügbarkeit der Technologie weiter verschieben.
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Die Sicherheitsvorrichtung weist vorteilhafterweise zusätzlich einen Stimulator auf. Das betrifft nun den umgekehrten Signalweg, bei dem die Person nicht mehr Informationsquelle ist, sondern Empfänger einer Information. Mögliche Beispiele reichen von einem kleinen elektrischen Schlag auf die Haut, um zu warnen, bis zu einer gezielten Stimulation in Muskel oder Motorcortex, um ein Ausweichen eines gefährdeten Körperteils auszulösen. Vorzugsweise wird der Körpersignalsensor selbst als Stimulator genutzt, etwa indem dessen Elektroden nicht nur zum Ableiten sondern auch für eine elektrische Anregung als Stimulation eingesetzt werden.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt in ein Kleidungsstück integriert. Handelt es sich dabei um Arbeitskleidung, welche die Person ohnehin trägt, so wird der Körpersignalsensor ohne jeglichen Zusatzaufwand einsatzbereit. Auch sonst ist das Anlegen über ein Kleidungsstück besonders einfach. Zwei Beispiele sind Handschuhe mit Elektroden, die in Kontakt mit der Haut auf Hand oder Unterarm kommen, sowie ein Arbeitshelm mit EEG-Elektroden. Es gibt EEG-Systeme auf Basis kapazitiver Elektroden, die ohne Kontaktgel arbeiten können. Ein solcher kombinierter EEG-Schutzhelm bedeutet für den Werker praktisch keine Umstellung.
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Der Körpersignalsensor ist bevorzugt sicher im Sinne von Maschinensicherheit ausgebildet. Mit dieser Sicherheit ist nicht gemeint, dass der Körpersignalsensor die Person nicht schädigt, weil sich das von selbst versteht. Vielmehr gibt es einschlägige Normen der Sicherheitstechnik, die dafür sorgen, dass es in dem Körpersignalsensor vor genau definierten Anforderungen nicht zu kritischen Fehlern oder Ausfällen kommt, beispielsweise durch Selbsttests oder Redundanzen, und dass die spezifizierte Funktion und das dadurch erreichte Sicherheitsniveau der Sicherheitsvorrichtung auch tatsächlich umgesetzt ist. Vorzugsweise ist nicht nur der Körpersignalsensor in diesem Sinne sicher, sondern dies gilt auch für alle sonstigen Komponenten der Sicherheitsvorrichtung, die an dem Sicherheitspfad beteiligt sind, wie die Steuerung, die Verbindungen zwischen Körpersignalsensor und Steuerung sowie zu der Maschine hin und die dortige Sicherheitsabschaltung.
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Körpersignalsensor und Steuerung weisen vorzugsweise eine drahtlose Schnittstelle auf, um miteinander zu kommunizieren. Diese Schnittstelle ist nochmals bevorzugt bidirektional, erlaubt also auch Ansteuerungen des Körpersignalsensors für Funktionen wie das Ein- und Ausschalten oder die Konfiguration. Jedenfalls ist eine unidirektionale Übertragung zu der Steuerung möglich, um Messdaten oder eine erkannte Gefahrensituation zu übertragen. Die drahtlose Schnittstelle ist vorzugsweise sicher im Sinne von Maschinensicherheit und auch im Sinne von Datensicherheit, um unbefugten Zugriff durch Dritte zu verhindern.
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Die Sicherheitsvorrichtung weist bevorzugt mindestens einen weiteren Sensor zur Überwachung der Person und/oder der Maschine auf, der keine Körpersignale erfasst. In dieser Ausführungsform ist der Körpersignalsensor nicht allein für die Sicherheit verantwortlich, sondern nur eine Komponente davon. Obwohl die Kombination mehrerer Körpersignalsensoren denkbar ist, soll hier der weitere Sensor einen konservativeren Ansatz unabhängig von neuronaler Aktivität oder anderen Körpersignalen verfolgen. Eine Abhängigkeit von dem Körper selbst allerdings ist möglich und fast unvermeidlich, da es ja dieser Körper ist, der abgesichert werden soll. Dabei geht es dann aber nicht mehr um körpereigene Parameter, sondern beispielsweise um optische oder taktile Wirkungen des Körpers. Das Signal des weiteren Sensors kann je nach Ausführungsform eigenständig Sicherheitsreaktionen auslösen oder für eine gemeinsame Betrachtung herangezogen werden. Beispielsweise ist eine von dem Körpersignalsensor erkannte Angstreaktion für die Sicherheitsvorrichtung irrelevant, wenn Person und Roboter sich im Verhältnis zu dessen Arbeitsgeschwindigkeit in sehr großem Abstand zueinander befinden.
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Der weitere Sensor ist bevorzugt ein optoelektronischer Sensor, insbesondere ein Lichtgitter, ein Laserscanner oder eine Kamera. Dadurch wird beispielsweise ein Bild der Person und/oder der Maschine erfasst, oder es werden Eingriffe in Schutzfelder erfasst. Optoelektronische Sensoren sind in der Maschinensicherheit etabliert. Sie arbeiten völlig unabhängig von den Körpersignalen, so dass ein höchst diversitäres Gesamtsystem mit entsprechender Ausfallsicherheit entsteht.
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Die Auswertung des Körpersignalsensors birgt im Vergleich zu herkömmlich in der Sicherheitstechnik allein oder nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zusätzlich eingesetzten Sensoren wie beispielsweise Laserscannern weitere Unsicherheiten. Das betrifft zum einen die typisch menschliche Streuung, wie Unaufmerksamkeit, Konzentration auf eine andere Aufgabe, Täuschung, Fehleinschätzungen oder Gewöhnung. Hinzu kommt, dass das Außenbild durch Auswertung des Körpersignalsensors nicht in der Lage ist, die subjektiven Erkenntnisse auch nur annähernd vollständig zu erfassen. Daher kann es vorzuziehen sein, das Sicherheitskonzept nicht allein auf den Körpersignalsensor zu stützen. Der Körpersignalsensor kann darin sogar nur als letztes Sicherungssystem fungieren: Möglicherweise kommt dessen Erkennung der Gefahrensituation zu spät, um den Unfall noch ganz zu verhindern. Damit werden nicht jeglicher Schmerz und jegliche Verletzung, jedoch immerhin eine ernsthafte Schädigung abgewandt, beispielsweise bei einer Quetschung. Ohne den Körpersignalsensor hätte die Person möglicherweise gar keinen Zugriff auf den Roboter, obwohl sie ihn gern stoppen würde, oder reagiert in ihrer Panik falsch.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung für eine Mensch-Maschine-Kooperation mit einem Körpersignalsensor;
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung mit einem Körpersignalsensor an einer Extremität;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung mit einem Körpersignalsensor an der Wirbelsäule;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung mit einem Körpersignalsensor in Form von EEG-Elektroden;
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung mit einem Körpersignalsensor in Form eines in den Schädel implantierten Elektrodenfeldes; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung mit einem Körpersignalsensor und weiteren Sensoren.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sicherheitsvorrichtung 10 für eine Mensch-Maschine-Kooperation zwischen einer Person 12 und einem Roboterarm beziehungsweise Roboter 14. Die Erfindung wird am Beispiel eines Roboters 14 beschrieben, ist aber darauf nicht beschränkt, da sich ganz analoge Problemstellungen auch bei anderen Maschinen ergeben. Außerdem muss es sich bei dem Roboter 14 keineswegs nur um einen Industrieroboter an einem kooperativen Arbeitsplatz handeln. Kooperationen zwischen Person 12 und Roboter 14 gibt es auch in Anwendungen der Medizin oder Pflege, im Haushalt oder im öffentlichen Leben, und gerade bei Robotern als persönlichem Assistenten im medizinischen oder nichtmedizinischen Umfeld widerspricht der klassische Sicherheitsansatz der gegenseitigen Trennung der gewünschten Funktion des Roboters.
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Die Person 12 trägt einen Körpersignalsensor 16, der eine körpereigene Messgröße oder Aktivität bestimmt. Dies wird an eine verbundene Steuerung 18 weitergeleitet, deren Funktionalität abweichend von der Darstellung zumindest teilweise auch direkt bei oder in dem Körpersignalsensor 16 oder umgekehrt in dem Roboter 14 implementiert sein kann. Die Steuerung 18 erkennt anhand der gemessenen Körpersignale, ob die Person 12 eine Gefahr wahrnimmt oder unangenehmen Druck beziehungsweise Schmerz empfindet. Es ist eine zusätzliche Auswertung denkbar, ob dies dann auf eine Bewegung oder Berührung des Roboters 14 zurückzuführen ist, wobei diese zusätzliche Auswertung vorsichthalber nur in die Entscheidung eingreift, wenn sie die Situation ganz eindeutig bewerten kann.
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Hat die Steuerung 18 ein derartiges Gefahrenereignis erkannt, so wird ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal an den Roboter 14 ausgegeben. Dieses Abschaltsignal führt oft, aber nicht zwingend zu einem Notstop beziehungsweise einer Notabschaltung des Roboters 14 und idealerweise der kraftfreien Lagerung des Manipulators des Roboters 14. Es gibt aber auch andere Maßnahmen, um die Gefährdung auszuschließen, wie ein Verlangsamen, eine Ausweichbewegung oder ein Regelkreis.
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Die Auswertung der Körpersignale auf ein Gefahrenereignis hängt einerseits stark von der Natur und Quelle der Körpersignale ab, wofür im Folgenden Beispiele gegeben werden. Außerdem gibt es auch große individuelle Unterschiede, die durch Einstellen von Parametern oder ein Einlernverfahren beziehungsweise Training ausgleichbar sind, währenddessen beispielsweise Körpersignale der Person 12 in bekannten Situationen erfasst und vorklassifiziert werden. Als Auswerteverfahren in der Steuerung 18 kommen Algorithmen in Betracht, die insbesondere für Gefahren oder Schmerz charakteristische Änderungen erkennen, aber auch andere Ansätze wie ein künstliches neuronales Netz.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10, in welcher der Körpersignalsensor 16 als eine oder mehrere Elektroden an einer Extremität der Person 12 angebracht ist, hier am Handgelenk, und dort Aktivität in Muskel oder Nerven misst. Die Elektroden des Körpersignalsensors 16 können aufgeklebt oder beispielsweise in einen Handschuh integriert werden.
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Im Muskel lässt sich eine Anspannung erfassen, die Stress oder eine Ausweichbewegung indiziert. Die Messung am Nerv mit seinen druck- und schmerzempfindlichen Nervenzellen nutzt den menschlichen Tastsinn praktisch schon an der Quelle bei einem gefährdeten Körperteil und ermöglicht damit eine besonders schnelle und spezifische Reaktion auf eine Überbeanspruchung.
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Die Verbindung zwischen Körpersignalsensor 16 und Steuerung 18 ist in 2 drahtlos dargestellt. Dafür eignen sich bekannte Standards wie Bluetooth. Die drahtlose Übertragung erlaubt der Person 12 weiterhin volle Bewegungsfreiheit. Die Wahl zwischen drahtgebundener und drahtloser Verbindung besteht auch in allen anderen Ausführungsformen und überdies zwischen Steuerung 18 und Roboter 14.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10, in welcher der Körpersignalsensor 16 an der Wirbelsäule angebracht ist. Dies illustriert die verschiedenen Möglichkeiten, neuronale Aktivität eher nahe an gefährdeten Körperteilen zu erfassen, wie an einer Extremität in der Ausführungsform gemäß 2, oder eher fern davon und dafür in höheren Verarbeitungsstufen. Dabei wird man eher an das Gehirn denken, wie nachfolgend auch noch beschrieben. Die Wirbelsäule ist eine Zwischenposition, in der schon viele Nerven zusammenlaufen und erste Verarbeitungen von deren Signalen erfolgen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10, in welcher der Körpersignalsensor 16 neuronale Aktivität des Gehirns bestimmt. In diesem Beispiel weist der Körpersignalsensor 16 eine Vielzahl von EEG-Elektroden 20 auf. Das herkömmliche Verfahren mit händisch einzeln mit Kontaktgel aufzubringenden EEG-Elektroden 20 kommt insbesondere für medizinische Anwendungen in Betracht. In einer Arbeitsumgebung ist aber wünschenswert, ohne solchen Zusatzaufwand samt anschließender Einschränkungen der Person 12 auszukommen. Eine Möglichkeit bieten Elektroden, die ohne Kontaktgel auskommen, wie kapazitive EEG-Elektroden, die sich sogar in einen Schutzhelm oder alternativ in eine andere Kopfbedeckung integrieren lassen. Das erhöht die Akzeptanz und den Komfort der Person 12 erheblich.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10 mit einem Körpersignalsensor 16, der neuronale Aktivität des Gehirns bestimmt. Im Unterschied zu 4 erfolgt die Ableitung mittels einer in den Schädel implantierten Elektrode 22 beziehungsweise eines Elektrodenfeldes. Dadurch wird die neuronale Aktivität sehr viel genauer aufgelöst (ECoG, Elektrocorticographie). Das muss gegen Aufwand und Risiko der Implantation abgewogen werden. Für einen Roboterarbeitsplatz kommt es daher kaum in Betracht, durchaus aber für langfristig auf medizinische Betreuung angewiesene Patienten mit Lähmungserscheinungen oder gar bewegungsunfähige Personen. Bei solchen Krankheitsbildern kann eine Implantierung für andere Zwecke wie die Ansteuerung einer Neuroprothese erfolgen, und die Sicherheitsvorrichtung 10 fügt dem nur eine weitere Funktion hinzu.
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Die Bestimmung von neuronaler Aktivität ist nicht auf die beiden Beispiele EEG und ECoG beschränkt. Neben weiteren Verfahren zur Erfassung von einzelnen oder überlagerten Aktionspotentialen gibt es auch eine Reihe von bildgebenden Verfahren wie die funktionelle Magnetresonanztomographie, die berührungslos sind und daher die Person 12 besonders wenig einschränken. Solange diese bildgebenden Verfahren auf stationären, teuren Geräten beruhen, bietet sich erneut vor allem eine medizinische Anwendung an, aber dieses Anwendungsfeld wird sich mit Fortentwicklung der bildgebenden Verfahren auch erweitern.
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Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, aus der von dem Körpersignalsensor 16 erfassten Hirnaktivität erforderlichenfalls eine sicherheitsgerichtete Reaktion des Roboters 14 abzuleiten. Nahe an den eigentlichen Sinnen kann im visuellen Cortex oder somatosensorischen Cortex festgestellt werden, was die Person 12 optisch oder taktil wahrnimmt. Auf einer höheren Stufe steht die Verarbeitung solcher Sinneswahrnehmungen, die den Menschen eine Berührung vorhersehen oder aus Wissen oder Erkenntnis darauf schließen lässt, dass der in Bewegungsrichtung des Roboters 14 liegende Freiraum nicht mehr ausreicht, um eine Quetschung oder Kollision auszuschließen, und sogar Ausweichbewegungen planen lässt. Das geht ebenfalls mit Aktivität im visuellen und somatosensorischen, weiter im Motor- und Präfrontalcortex und in anderen Arealen einher. Dabei wäre es zwar der Idealfall, ist aber keineswegs erforderlich, dass die Steuerung 18 tatsächlich auswerten kann, welches konkrete Szenario die Person 12 erwartet. Es genügt, ungewöhnliche Abweichungen vom Üblichen zu erkennen, wobei das Übliche aus allgemeinem Wissen über das menschliche Gehirn, einem individuellen Einlernprozess oder einer Mischung aus beidem bekannt ist. In diesem Sinne sind auch für die konkrete Gefährdung durch den Roboter 14 unspezifische Aktivitäten nutzbar, die eher mit menschlicher Emotion und Intuition als konkreter Erkenntnis verknüpft und beispielsweise für Angst und Fluchtreaktion zuständig sind wie die Amygdala. Dabei wird vereinfachend angenommen, dass jede empfundene Bedrohung einer Roboterbewegung zuzuordnen ist. Stellt sich eine Gefahrenerkennung dann später als Fehlalarm heraus, sei es weil die Bedrohung eine andere Ursache hatte oder weil die gemessene Hirnaktivität aus irgend einem anderen Grund von der Steuerung 18 falsch eingeschätzt wurde, ist außer einer kurzen Unterbrechung der Tätigkeit des Roboters 14 kein Schaden entstanden, und die Steuerung 18 ist sogar in der Lage, ihre Einschätzung für die Zukunft zu verbessern.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Sicherheitsvorrichtung 10 mit einem Körpersignalsensor 16 und weiteren Sensoren 24, 26. Der Körpersignalsensor 16 ist hier am Handgelenk angebracht, kann aber alternativ jeder andere erfindungsgemäße Körpersignalsensor sein. Außerdem ist nicht nur in dieser, sondern in allen Ausführungsformen, denkbar, mehrere Körpersignalsensoren miteinander zu kombinieren, beispielsweise eine EEG-Ableitung mit einer Muskeltonusbestimmung im Bein, eine Erfassung der Gehirnaktivität zugleich mittels ECoF und fMRT oder jede andere Kombination.
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In der Ausführungsform nach 6 sind zusätzlich zu dem Körpersignalsensor 16 die weiteren Sensoren 24, 26 vorgesehen. Dabei handelt es sich um Sensoren, die keine Körpersignale im bisher verstandenen Sinne erfassen, etwa optoelektronische Sensoren oder andere in der Sicherheitstechnik herkömmlich eingesetzte Sensoren. Konkret nutzt die Ausführungsform nach 6 eine Kamera 24, die insbesondere auch eine 3D-Kamera sein kann, und einen Laserscanner 26. Mehr, weniger und andere auch nicht optoelektronische Sensoren sind alternativ denkbar.
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Der Körpersignalsensor 16 und die weiteren Sensoren 24, 26 ergänzen einander, um die Sicherheit der Person 12 zu gewährleisten. Durch die völlig verschiedenen sensorischen Ansätze ist das Gesamtsystem diversitär und damit besonders unanfällig gegen Fehler gleicher oder ähnlicher Ursache. Der Körpersignalsensor 16 ist dabei vorzugsweise sicher im Sinne von Maschinensicherheit ausgebildet. Das bedeutet, dass der Körpersignalsensor 16 durch Maßnahmen wie redundante Komponenten, Zweikanaligkeit oder Selbsttests nicht ausfällt oder den Ausfall sofort selbst erkennt, um dann eine sicherheitsgerichtete Abschaltung auszulösen. Auch die übrige Sicherheitsvorrichtung 10, d.h. sofern vorhanden die weiteren Sensoren 24, 26, die Steuerung 18 und zumindest die an einer Sicherheitsabschaltung beteiligten Komponenten des Roboters 14, sind vorzugsweise in diesem Sinne sicher.
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Es gibt Anwendungen und Gefahrensituationen, die der Körpersignalsensor 16 allein nicht ausreichend zuverlässig erfasst. Einige Gründe dafür sind Unaufmerksamkeit, Fehleinschätzung, Täuschung, Gewöhnung oder fehlende Sinne der Person in Gefahrenrichtung, wie ein Sehsinn im Rücken der Person 12. Demnach kann es Gefahrensituationen geben, die durch den Körpersignalsensor 16 allein nicht beherrscht werden. Diese Lücke kann dann durch die weiteren Sensoren 24, 26 geschlossen werden. Der Körpersignalsensor 16 ist in jedem Fall zumindest eine letzte Rückzugslinie, denn wenn darüber Schmerz oder dergleichen detektiert wird, kann durch eine Sicherheitsabschaltung zumindest noch Schlimmeres verhindert werden. Übrigens wird die Sicherheit durch die je nach Körpersignal, wie im Falle von EEG- oder ECoG-Signalen, hochkomplexe Auswertung nicht beeinträchtigt, sondern nur die Verfügbarkeit des Roboters 14, da die Sicherheitsvorrichtung 10 im Zweifel über die Beurteilung eines Körpersignals immer in einen sicheren Zustand übergehen kann.
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Umgekehrt gibt es Situationen, die überhaupt nur mit einem Körpersignalsensor 16 zu lösen sind, weil von außen gar nicht erfassbar ist, ob eine Abschaltung erforderlich ist. Ein Beispiel ist das Umbetten eines Patienten durch einen Pflegeroboter: jeglicher äu-ßere Sensor kann hier bestenfalls die objektive Situation erfassen, nämlich dass der Roboter 14 die Person 12 an bestimmten Stellen berührt, und zwar insgesamt ungefähr mit der Belastung des Körpergewichts. Ob das aber schmerzt, weiß nur die Person 12 selbst, und der Körpersignalsensor 16 macht dies der Sicherheitsvorrichtung 10 zugänglich.
