09.02.2021

Radar für sichere Roboter

Neue Sensorlösung lässt Mensch und Roboter sicherer zusammenarbeiten.

Mit dem Ziel der sicheren Mensch-Roboter-Kolla­boration – kurz MRK – hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörper­physik IAF in Freiburg gemeinsam mit sechs Partnern 2017 das Projekt „RoKoRa – Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mithilfe hoch­auflösender Radare“ ins Leben gerufen. Seitdem gab es viel Bewegung im MRK-Markt und obwohl sich ein großes Angebot an kolla­borativen Robotern, den Cobots, entwickelt hat, blieb der große Durchbruch bislang aus. Der Grund sind die Sicherheits­bestimmungen, die es performanten Robotern nicht einfach machen und von gängigen Sensorlösungen nur unter großen Effizienz­einbußen befolgt werden können. Beim erfolgreichen Projekt­abschluss von „RoKoRa“ im Dezember 2020 wurde eine kontaktlose 3D-Sensor­lösung demonstriert, die nun einen Durchbruch in der MRK herbeiführen könnte. Sie verspricht als Enabling-Technologie enorme Fortschritte sowohl in der industriellen Cobot-Techno­logie als auch in der Service-Robotik.
 

Abb.: Dieser Demonstrator ist in der Lage, dynamisch und erwartungs­konform...
Abb.: Dieser Demonstrator ist in der Lage, dynamisch und erwartungs­konform bei der Montage einer Bremsscheibe mit dem Menschen zu kolla­borieren. (Bild: RoKoRa)

Die kontaktlose 3D-Sicherheits­sensorik überwacht im Vergleich zu herkömmlichen Sensor­lösungen auf größere Distanz den gesamten Kollaborations­raum und ermöglicht eine dynamische Anpassung der Roboter­geschwindigkeit und -bewegungs­richtung. Der Demonstrator zeigt einen Radarsensor­ring mit dazugehörigem Sensorknoten. Er erlaubt eine zuverlässige 360°-Distanz­messung selbst bei Dunst, Rauch, Staub und sonstigen optischen Einflüssen und kann sogar dielektrische Objekte durchdringen. Somit hat er nicht nur eine größere Mess­reichweite als gängige kapazitiven Sensoren, sondern auch eine erhöhte Robustheit im Vergleich zu optischen Alternativen. Darüber hinaus ermöglicht er auch erstmals großen und leistungs­starken Robotern mit höheren Nutzlasten in kürzeren Taktzeiten mit Menschen zu interagieren.

„Auf der Basis der Umgebungs­messung durch das Radar kann der optimierte Bewegungs­ablauf für den Roboter berechnet werden. Er kann sich berührungslos und dynamisch an die Interaktion mit dem Menschen anpassen“, erklärt Projekt­koordinator Christian Zech. Der Sensorring kann potentiell als Plug & Play-Lösung an jeder relevanten Roboterachse angebracht werden. In Verbindung mit einer Echtzeit­auswertung ermöglicht er so eine sichere MRK bei nahezu allen Prozess­abläufen und Interaktionen. Einzigartig an dem Kooperations­projekt war die frühe Verbindung der Sensor­bauelemente mit realen Robotersystem­technologien unter durchgängiger Berücksichtigung relevanter Sicherheits­aspekte auch auf Forschungsebene. Um dies zu gewährleisten, wurde das Projekt von dem Unternehmen Audi, dem Roboter­hersteller Fanuc Deutschland sowie dem Institut für Arbeits­schutz der Deutschen Gesetzlichen Unfall­versicherung (DGUV) aktiv unterstützt.

In der Sensortechnologie von „RoKoRa“ wurden verschiedene Kontroll­mechanismen entwickelt und implementiert. »Der Sensorring besteht aktuell aus 16 Radarmodulen, von denen acht für eine 360°-Überwachung ausreichen. Die zusätzlichen acht Module fungieren als funktionale Redundanz“, erläutert Zech. Auch die Daten­verarbeitung im Sensorknoten verfügt über Sicherheits­kontrollen: Zwei Prozessoren werten die Messdaten unabhängig voneinander aus und ein dritter gleicht die Ergebnisse ab, bevor die Informationen zur Steuersoftware des Roboters weitergeleitet werden. So wird die Sicherheit des Systems nicht nur bei der Messung, sondern auch bei der Daten­verarbeitung gewährleistet.
 

Fh.-IAF / JOL

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