Mensch-Roboter-Kollaboration Dank Radartechnologie sicher mit schweren Robotern zusammenarbeiten

Redakteur: Katharina Juschkat

Forscher haben eine neue Sensorlösung entwickelt, die auf Radartechnologie basiert und eine sichere, kollaborative Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern ermöglicht – auch wenn es sich nicht um Leichtbau-Roboter handelt.

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Kollaborative Zusammenarbeit auch bei schweren Robotern: Möglich macht das ein neues Radarsystem.
Kollaborative Zusammenarbeit auch bei schweren Robotern: Möglich macht das ein neues Radarsystem.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben im Projekt „Rokora – Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mithilfe hochauflösender Radare“ eine Radartechnologie für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration entwickelt. Ein erster Demonstrator zeigt die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter bei der Montage einer Bremsscheibe.

Das Projekt Rokora

Seit 2017 hat das Fraunhofer IAF gemeinsam mit sechs Partnern an neuen Lösungen für eine sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) geforscht. Im Dezember 2020 gelang der Abschluss des Projektes mit einem funktionierenden Demonstrator. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das waren die Projektpartner:

- Fraunhofer IAF
- Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI
- IMST
- Universität Kassel
- Fanuc
- Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV)
- Audi

Demonstrator zeigt Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter

Bisher kommen bei der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) üblicherweise hauptsächlich Leichtbauroboter zum Einsatz, da sie eine bestimmte Leistungs- und Kraftbegrenzung für eine sichere Zusammenarbeit brauchen. Die Forscher im Projekt haben jetzt eine kontaktlose 3D-Sicherheitssensorik entwickelt, die im Vergleich zu bisherigen Sensorlösungen auf größere Distanz den gesamten Kollaborationsraum überwacht und eine dynamische Anpassung der Robotergeschwindigkeit und -bewegungsrichtung ermöglicht.

Der Demonstrator zeigt einen Radarsensorring mit dazugehörigem Sensorknoten. Damit wird eine 360°-Distanzmessung auch bei Dunst, Rauch, Staub und sonstigen optischen Einflüssen möglich. Das System kann auch dielektrische Objekte durchdringen. Damit hat der Demonstrator eine größere Messreichweite als gängige kapazitiven Sensoren und eine erhöhte Robustheit im Vergleich zu optischen Alternativen. Das System ermöglicht zudem die Zusammenarbeit mit großen und leistungsstarken Robotern mit mit höheren Nutzlasten in kürzeren Taktzeiten.

Wie das funktioniert

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 Christian Zech, Projektkoordinator am Fraunhofer IAF. 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.

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Die Forscher haben für die Sensortechnologie verschiedene Kontrollmechanismen entwickelt und implementiert. Aktuell besteht der Sensorring aus 16 Radarmodulen, von denen acht für eine 360°-Überwachung ausreichen. 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 Steuersoftware des Roboters weitergeleitet werden. So wird die Sicherheit des Systems nicht nur bei der Messung, sondern auch bei der Datenverarbeitung gewährleistet.

Besonders an dem Kooperationsprojekt war die frühe Verbindung der Sensorbauelemente mit realen Robotersystemtechnologien, während gleichzeitig die relevanten Sicherheitsaspekte auch auf Forschungsebene berücksichtigt wurden.

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