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Innovativer Radarsensor für kollaborative Robotik

04. Februar 2021, 17:00 Uhr   |  Markus Haller

Innovativer Radarsensor für kollaborative Robotik
© RoKoRa

Demonstrator im Audi-Testlabor: Radarsensor-Ring am Fanuc-Fertigungsroboter, der eine Bremsscheibe in Position hält.

Das Forschungsprojekt »RoKoRa« wurde im Dezember 2020 beendet. Entwickelt wurde ein hochauflösender Radarsensor für industrielle Assistenzroboter, der den Kompromiss zwischen Sicherheit und Produktivität lösen soll.

Fertigungsroboter erledigen Arbeitsabläufe sehr schnell, müssen aus Sicherheitsgründen aber »in einem Käfig eingesperrt werden«, wie es Kukas damaliger Chef Till Reuter 2016 auf der Hannover Messe ausdrückte. Damit eignen sie sich nicht als Assistenzroboter für die Zusammenarbeit mit Werksarbeitern. Ein großes Forschungsfeld in der kollaborativen Robotik sind Sicherheitsfunktionen, die eine Mensch-Roboter-Zusammenarbeit unter Einhaltung von Sicherheitsnormen und Arbeitsschutz bei hoher Produktivität ermöglichen. Dafür soll die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters nicht mehr auf einen fixen Wert begrenzt werden, sondern sich je nach Abstand zum Menschen anpassen.

Sensorik zur Kollisionsvermeidung

Zur Kollisionsvermeidung eingesetzt werden kapazitive Näherungssensoren, die sich analog zur menschlichen Haut auch vollflächig über den gesamten Roboterarm erstrecken können, Laserscanner, Lichtgitter oder Kameras. Möglich ist über optische Sensoren z.B. die Einteilung einer Arbeitsfläche in Sicherheitszonen, je nach Abstand zum Roboter. Die Arbeitsgeschwindigkeit des Roboters wird entsprechend der Sicherheitszone angepasst, in der sich ein Mitarbeiter gerade befindet.

Demonstrator des 77-GHz-Radarsensor-Rings aus dem »RoKoRa«-Projekt.
© IMST

Bild 1. Demonstrator des 77-GHz-Radarsensor-Rings aus dem »RoKoRa«-Projekt.

Im Verbundprojekt »RoKoRa«, koordiniert vom Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF), wurden von 2017 bis 2020 Radarsensoren für Cobots zur Umgebungserkennung entwickelt. Als Vorteile der Radartechnik gelten Zuverlässigkeit – die Detektion funktioniert auch bei Rauch, Staub oder sonstigen optischen Störeinflüssen und bei dielektrischen Objekten – und eine höhere Detektionsreichweite als bei kapazitiven Sensoren. Die Detektionsreichweite bestimmt die maximal zulässige Taktrate und Nutzlast.

Redundant ausgelegter Radarsensor-Ring

Im Zuge von »RoKoRa« wurde ein ringförmiger Radarsensor mit Sensorknoten für eine kontaktlose 360°-Distanzmessung entwickelt, mit dem größere und leistungsstärkere Roboter als bisher als Assistenzroboter genutzt werden können. Er besteht aus 16 Radarmodulen, von denen acht für eine 360°-Überwachung ausreichen. Die Datenverarbeitung im Sensorknoten ist ebenfalls redundant ausgelegt: zwei Prozessoren werden die Messdaten unabhängig voneinander aus und ein dritter gleicht die Ergebnisse ab, bevor die Informationen zur Steuersoftware des Roboters weitergeleitet werden.

Baseband-Board für Radarsignalerzeugung und Signalverarbeitung mit Radar-Frontend.
© Fraunhofer IAF

Bild 2. Baseband-Board für Radarsignalerzeugung und Signalverarbeitung mit Radar-Frontend.

Für die Abstandsmessung werden frequenzmodulierte 77-GHz-Dauerstrich-Radarsignale genutzt. Das Baseband-Board stammt vom Projektpartner IMST und besteht aus einem Radarchip von Texas Instruments (AWR1243) und einem Signalprozessor von NXP (FS32R174). Das Antennenmodul auf dem Baseband-Board (Bild 2) besteht aus drei Transmittern und vier Empfängern und wurde vom Fraunhofer IAF entworfen. Die Stromversorgung erfolgt über Power-over-Ethernet oder über eine externe 12-V-Gleichspannungsquelle.

Projektkoordinator Christian Zech vom Fraunhofer IAF sieht die Entwicklung auch als Schlüssel, um kollaborative Robotik aus dem industriellen Umfeld in den Bereich von Service-Robotik und langfristig in den privaten Bereich zu überführen, um dort dem Menschen schwere oder monotone Aufgaben abzunehmen. Ein Steckbrief der Ergebnisse des Projekts ist hier zu finden.

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