Schwerpunkte

Innovative Sensorlösung für Cobots

Radarsensorik soll MRK in Schwung bringen

11. Februar 2021, 21:32 Uhr   |  Andreas Knoll

Radarsensorik soll MRK in Schwung bringen
© Fraunhofer IAF

Die Sensorlösung von »RoKoRa« besteht aus 16 Radarmodulen, die jeweils aus einem 77-GHz-Frontend des Fraunhofer IAF bestehen.

Dem Fraunhofer IAF zufolge könnte ein Durchbruch in der kollaborativen Robotik bevorstehen: In dem vom Institut koordinierten Projekt »RoKoRa« haben Forscher eine Radarsensortechnologie entwickelt, die als »Enabler« auch leistungsstarken Robotersystemen funktionale Sicherheit ermöglichen kann.

Mit dem Ziel der sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF 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 von kollaborativen Robotern, sogenannten Cobots, entwickelt hat, blieb der große Durchbruch bislang aus«, sagt Christian Zech, Projektkoordinator am Fraunhofer IAF. »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 laut Christian Zech einen Durchbruch in der MRK herbeiführen könnte. »Sie verspricht als Enabling-Technologie große Fortschritte sowohl in der industriellen Cobot-Technologie als auch in der Service-Robotik.«

Wegen der hohen Anforderungen an die Sicherheit des Menschen kommen in der MRK bislang meist nur Leichtbauroboter zum Einsatz. Diese sind aufgrund der aktuell verfügbaren Sensorlösungen auf eine Leistungs- und Kraftbegrenzung angewiesen. Damit MRK aber nicht nur sicher, sondern auch effizient wird, haben die Projektpartner von »RoKoRa« eine kontaktlose 3D-Sicherheitssensorik entwickelt, die im Vergleich zu herkömmlichen Sensorlösungen auf größere Distanz den gesamten Kollaborationsraum überwacht und eine dynamische Anpassung der Robotergeschwindigkeit und -bewegungsrichtung ermöglicht.

Der Demonstrator, der im Zuge von »RoKoRa« entstanden ist, hat 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 kapazitive Sensoren, sondern auch eine höhere Robustheit als optische Alternativen. Darüber hinaus ermöglicht er erstmals großen und leistungsstarken Robotern mit höheren Nutzlasten in kürzeren Taktzeiten, mit Menschen zu interagieren.

»Auf Basis der Umgebungsmessung durch das Radar kann der optimierte Bewegungsablauf für den Roboter berechnet werden«, erläutert Christian Zech. »Er kann sich berührungslos und dynamisch an die Interaktion mit dem Menschen anpassen.« Der Sensorring lässt sich potenziell als Plug-and-Play-Lösung an jeder relevanten Roboterachse anbringen. In Verbindung mit einer Echtzeitauswertung soll er eine sichere MRK bei fast allen Prozessabläufen und Interaktionen ermöglichen.

»Einzigartig an dem Kooperationsprojekt war die frühe Verbindung der Sensorbauelemente mit realen Robotersystemtechnologien unter durchgängiger Berücksichtigung relevanter Sicherheitsaspekte auch auf Forschungsebene«, stellt Christian Zech fest. Um dies zu gewährleisten, wurde das Projekt von dem industriellen Anwender Audi AG, dem Roboterhersteller Fanuc Deutschland GmbH 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«, verdeutlicht Christian Zech. »Die zusätzlichen acht Module fungieren als funktionale Redundanz.« 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 Steuerungs-Software des Roboters weitergeleitet werden. Dies soll die Sicherheit des Systems nicht nur bei der Messung, sondern auch bei der Datenverarbeitung gewährleisten.

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und bestand aus sieben Projektpartnern: dem Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik IAF, dem Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI, der IMST GmbH, der Universität Kassel, der Fanuc Deutschland GmbH, dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung e.V. (DGUV) und der Audi AG.

Auf Facebook teilenAuf Twitter teilenAuf Linkedin teilenVia Mail teilen

Verwandte Artikel

Fraunhofer IAF