SPAI - Sichere Personendetektion im Arbeitsbereich von Industrierobotern durch ein aktives NIR-Kamerasystem

Status:

abgeschlossen 03/2016

Zielsetzung:

Untersuchung und exemplarische Implementierung einer sicheren, optischen Personenerkennung und -ortung in Echtzeit im Arbeitsbereich von Industrierobotern. Lösungsansatz: Verwendung eines speziellen Kamerasystems, das den nahinfraroten (NIR) Spektralbereich nutzt und damit eine zuverlässige Erkennung von sichtbaren Hautpartien unabhängig vom Hauttyp ermöglicht.

Aktivitäten/Methoden:

Erstellung von Anforderungsanalyse und Systemspezifikation; eingehende Untersuchung von Hautproben, typischen Werkstoffen und Umgebungsmaterialien; Bestimmung optimaler spektraler Signaturen; Aufbau eines optimierten Kamerasystems; Entwicklung von geeigneten Kalibrierungsverfahren sowie Algorithmen zur Hautflächen- bzw. Gesichts- und Gliedmaßenerkennung; Evaluation des Systems im Labor und im Feldtest.

Ergebnisse:

Im Rahmen dieses Projekts wurden die Machbarkeit und die Vorteile einer Berührungslos Wirkenden Schutzeinrichtung (BWS) auf der Basis eines aktiven Nahinfrarot-Kamerasystems untersucht. Solche Systeme ermöglichen eine robuste, pixelweise Erkennung von Haut anhand ihres spektralen Fingerabdrucks im nahen Infrarotbereich. Diese Technik kann genutzt werden, um automatisch zwischen Personen und anderen Objekten im Bild zu unterscheiden. Besonders im Arbeitsumfeld von Industrierobotern bietet dieses System damit einen Mehrwert in Bezug auf die Sicherheit für die Beschäftigten und Verfügbarkeit eines solchen Roboters.

Zusammenfassung der Ergebnisse:

• Robuste Hauterkennung mit aktivem Nahinfrarot-Kamerasystem
  Hautpixel können, bezogen auf das für die Anwendung exemplarisch ausgewählte Bildmaterial, mit einer Sensitivität von 0,999974 von anderen Pixeln unterschieden werden. Die Daten wurden mit einem Funktionsmuster erhoben, das ebenfalls die Machbarkeit des Ansatzes beweist.
• Personenerkennungsleistung
  98,1 % aller vorgegebenen, zu einer Person gehörenden Pixel können in einer Stichprobe der Bilder automatisch erkannt werden.
• Unterscheidung zwischen Personen und anderen Objekten
  Ermöglicht eine "intelligente" Form von Muting, bei dem Werkstoffe und der Roboter selbst ignoriert, Menschen jedoch im gleichen Abschnitt zuverlässig detektiert werden.
• Echtzeitfähigkeit
  Die Bildakquise ist mit aktuellen Nahinfrarot-Kameramodellen mit einer Geschwindigkeit von 25 Multispektralbildern pro Sekunde in hinreichender Zeit möglich. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit skaliert mit dem Hardware-Aufwand.
• Tiefendaten
  Mit einem stereoskopischen Aufbau von zwei NIR-Kameras ist die dreidimensionale Akquise von Bildern mit etablierten Algorithmen möglich. Die Kombination von NIR-Kameras und solchen für den sichtbaren Bereich reicht unseren Untersuchungen nach nicht aus.
• Kompensation von Bewegungsartefakten
  Bewegungsartefakte können in großen Teilen algorithmisch kompensiert werden. Sie entstehen durch die prinzipbedingte Einzelbildakquise der Nah-Infrarotkanäle. Die untersuchten Algorithmen stoßen jedoch bei schnellen Bewegungen und in Kombination mit weiteren Artefakten an ihre Grenzen.

Zusammenfassend kann die Machbarkeit und die Tauglichkeit dieser Art von Schutzeinrichtung zur Überwachung von gefährlichen Bereichen bestätigt werden. Die Größe des Überwachungsbereichs ist jedoch stärker limitiert als bei einem heute gängigen Kamerasystem für den sichtbaren Bereich. Das liegt zum einen an der im Vergleich zu Siliciumbildsensoren recht jungen Entwicklung im Bereich der Nahinfrarot-Bildsensoren und zum anderen an der Leistungsgrenze der aktiven Beleuchtung. Diese und andere Probleme, insbesondere eine gegen Bewegungsartefakte robustere Bildakquise, werden während des Nachfolgeprojekts "beyondSPAI" in den Fokus der Arbeiten gerückt. Im Rahmen dessen soll die Anwendung eines Nahinfrarot-Kamerasystems im Verbund mit zusätzlicher Sensorik in einem multimodalen Sensorsystem zur Absicherung von kollaborierenden Robotern untersucht werden.

Stand: