Mensch-Roboter-Kollaboration Ein Radarsensorring sorgt für Sicherheit mit Kollege Roboter

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter steht Sicherheit an erster Stelle. Wissenschaftler haben nun eine 3D-Sensorik mit Radar entwickelt. Sie sorgt mit ausreichend Redundanz für Sicherheit.

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Die Sensoranwendung des Projekts RoKoRa besteht aus 16 Radarmodulen, die jeweils aus einem 77-GHz-Frontend des Fraunhofer IAF bestehen.
Die Sensoranwendung des Projekts RoKoRa besteht aus 16 Radarmodulen, die jeweils aus einem 77-GHz-Frontend des Fraunhofer IAF bestehen.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Menschen sollen mit ihrem Roboter-Kollegen sicher zusammenarbeiten. Hier spricht man von einer Mensch-Roboter-Kollaboration oder kurz MRK. Dazu startete im Jahr 2017 das Projekt „RoKoRa – Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mithilfe von hochauflösenden Radaren“. Initiator war das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zusammen mit sechs Partnern.

Viel hat sich in den letzten Jahren auf dem Gebiet getan. Doch obwohl der Markt in Bewegung ist und sich ein großes Angebot an kollaborativen Robotern, den sogenannten Cobots, entwickelt hat, blieb ein Durchbruch aus. Grund sind Sicherheitsbestimmungen, die sich mit etablierten Sensoranwendungen nur unter großen Effizienzeinbußen befolgen lassen.

Kontaktlose 3D-Sensoranwendung

Beim Projektabschluss im Dezember 2020 haben die Wissenschaftler eine kontaktlose 3D-Sensoranwendung demonstriert, mit der jetzt ein Durchbruch in greifbare Nähe rückt. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Sicherheit des Menschen kommen bislang meist nur Leichtbauroboter in der MRK zum Einsatz.

Sie sind aufgrund der aktuell verfügbaren Sensorentwicklungen 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 Sensoriken auf größere Distanz den gesamten Kollaborationsraum überwacht und dabei sowohl die Robotergeschwindigkeit als auch die Roboterbewegungsrichtung dynamisch anpasst.

Der Demonstrator, der im Zuge des Projekts RoKoRa entstanden ist, zeigt einen Radarsensorring mit dazugehörigem Sensorknoten. Das Radarsystem arbeitet mit einem 77-GHz-Frontend des Fraunhofer IAF. 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.

Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration

„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 lässt sich potenziell als Plug-&-play-Anwendung an jeder relevanten Roboterachse anbringen. Zusammen mit einer Echtzeitauswertung ist eine sichere MRK bei nahezu allen Prozessabläufen und Interaktionen möglich.

Neuland für die Wissenschaftler war die frühe Verbindung der Sensorbauelemente mit realen Robotersystemtechniken unter durchgängiger Berücksichtigung relevanter Sicherheitsaspekte auch auf Forschungsebene. Hilfe kam von Seiten der Industrie: Audi, dem Roboterhersteller Fanuc Deutschland sowie dem Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV).

16 Radarmodule mit genügend funktionaler Redundanz

Interessant ist der Blick auf die Sensortechnik von RoKoRa: Hier wurden verschiedene Kontrollmechanismen entwickelt und implementiert. Der Sensorring besteht aktuell aus 16 Radarmodulen, von denen bereits acht ausreichen, um eine 360°-Überwachung zu garantieren. 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.

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

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