Multispektrale Materialunterscheidungen für Kreissägen

Hand oder Holz?

Im Rahmen des Projektes ‚Smart Hover‘ wurde ein System entwickelt, welches mittels optischer Sensoren und multispektraler Materialunterscheidungen automatisch erkennt, ob eine Hand oder ein Werkstück unter einer Kreissäge ist und entsprechende Höheneinstellungen an der Schutzhaube der Kreissäge vornimmt.

Multispektrale Material- unterscheidung

Neben der berührungslosen Abstandsmessung kann das optische Sensorsystem sicher zwischen Materialoberflächen unterscheiden. Insbesondere wird zwischen Haut und Werkstück differenziert. Nur bei Erkennung einer Werkstückoberfläche wird die Höheneinstellung vorgenommen. Erkennt das System hingegen Haut, verharrt die Haube auf der aktuellen Höhe. Diese Eigenschaft unterscheidet den verwendeten Sensor von einem konventionellen Sensor zur Distanzmessung und bietet einen Mehrwert hinsichtlich des zu erreichenden Sicherheitsniveaus, da eine automatische Anhebung der Schutzhaube nicht durch unbedeckte menschliche Gliedmaßen ausgelöst werden kann. Die Unterscheidung zwischen verschiedenen Materialoberflächen erfolgt anhand ihrer spektralen Signaturen. Eine solche Signatur besteht aus den Remissionsintensitäten verschiedener schmaler Wellenlängenbänder im Nah-Infrarotbereich (NIR). Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums eignet sich hervorragend für die Unterscheidung von menschlicher Haut und vielen Werkstoffen. So bewirken die sogenannten Wasserbanden auch bei unterschiedlichen Hauttypen eine gleichmäßige Absorptionscharakteristik im NIR. Im sichtbaren Spektralbereich sind Pigmente (Melanine) für die unterschiedliche Färbung der Haut verantwortlich. Wird nun dieser Bereich zum Vergleich betrachtet, können dort unterschiedliche Absorptionscharakteristika für die verschiedenen Hauttypen festgestellt werden. In der Praxis erschweren diese die Abgrenzung gegenüber anderen Materialien. Der Sachverhalt ist in Bild 2 in Form von Remissionskurven verschiedener Materialien und Hauttypen visualisiert. Zur Ermittlung der spektralen Signatur kommen im entwickelten Sensor spezielle Multi-Chip-LEDs zum Einsatz, die eine sequenzielle Beleuchtung mit Licht aus vier schmalen Wellenlängenbändern ermöglichen. Die Reflexion an der Oberfläche wird mit Hilfe von mehreren in einer Reihe angeordneten Fotodioden gemessen. Durch den räumlichen Versatz der Fotodioden ist es möglich, die Distanz der reflektierenden Oberfläche nach dem Prinzip der Triangulation zu bestimmen. Die so ermittelten Daten werden dann im Mikrocontroller des Sensors verarbeitet und durch den Klassifikator ausgewertet. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Modelle von Klassifikatoren aus dem Bereich des maschinellen Lernens implementiert und trainiert.

Fazit

Sowohl die Machbarkeitsstudie, als auch die exemplarische Umsetzung als Funktionsmuster zeigen, dass Sicherheit und Komfort bei der Arbeit an einer Formatkreissäge mit einem System zur intelligenten und automatischen Höheneinstellung der Schutzhaube gesteigert werden können. Die Fähigkeit zur Hauterkennung des spezifischen Sensorsystems spielt in diesem Zusammenhang eine zentrale Rolle für den Sicherheitsaspekt.