09/02/2021
Door Ad Spijkers
Met het project RoKoRa - Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration mithilfe hochauflösender Radare is een doorbraak in collaboratieve robotica binnen handbereik. Onderzoekers zijn erin geslaagd een innovatieve radartechnologie te ontwikkelen die, als activerende technologie, functionele veiligheid mogelijk maakt in verschillende, zelfs krachtige, robotsystemen en toepassingen.
Met het oog op veilige samenwerking tussen mens en robot (human robot collaboration ofwel HRC) lanceerden het Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg en zes partners in 2017 het RoKoRa- project. Sindsdien is er veel beweging in de HRC-markt. Hoewel er een scala aan collaboratieve robots (cobots) is ontwikkeld, is de doorbraak bij grote robots tot dusver uitgebleven. De reden zijn de veiligheidsvoorschriften, die het niet gemakkelijk maken voor krachtige robots. De voorschriften kunnen door de huidige sensoroplossingen alleen worden gevolgd met een groot verlies aan efficiëntie.
Bij de afronding van het project afgelopen december werd een contactloze 3D-sensoroplossing gedemonstreerd die nu voor een doorbraak in HRC zou kunnen zorgen. Als faciliterende technologie belooft het een grote vooruitgang, zowel in industriële cobot-technologie als in servicerobotica.
Radarbewaking
Door de hoge eisen aan de veiligheid voor de mens zijn tot nu toe alleen lichtgewicht robots gebruikt in de samenwerking tussen mens en robots. Bij de momenteel beschikbare sensoroplossingen zijn deze afhankelijk van een vermogens- en krachtbegrenzing. Om ervoor te zorgen dat HRC niet alleen veilig maar ook efficiënt is, hebben de projectpartners van RoKoRa een contactloos 3D-veiligheidssensorsysteem ontwikkeld. In vergelijking met conventionele sensoroplossingen bewaakt deze volledige samenwerkingsruimte op afstand en is een dynamische aanpassing van de robotsnelheid en bewegingsrichting mogelijk.
De demonstrator die in de loop van RoKoRa tot stand is gekomen, toont een radarsensorring met een bijbehorend sensorknooppunt. Het maakt een betrouwbare 360° afstandsmeting mogelijk, zelfs in de aanwezigheid van nevel, rook, stof en andere optische invloeden. De sensorring kan zelfs diëlektrische objecten binnendringen. Dit betekent dat de radarsensor niet alleen een groter meetbereik heeft dan gewone capacitieve sensoren, maar ook robuuster is dan optische alternatieven. Bovendien kunnen grote en krachtige robots met een hoger laadvermogen in kortere cyclustijden met mensen communiceren.
Op basis van de omgevingsmeting door de radar kan de geoptimaliseerde bewegingsvolgorde van de robot worden berekend. Deze kan zich hierdoor dynamisch en zonder contact aanpassen aan de interactie met mensen. De sensorring kan aan elke relevante robotas als plug & play-oplossing worden aangepast. In combinatie met een real-time evaluatie maakt het een veilige HRC mogelijk voor bijna alle processen en interacties.
Veiligheid voorop
Uniek aan het samenwerkingsproject was de vroege koppeling van de sensorcomponenten met echte robotsysteemtechnologieën, rekening houdend met relevante veiligheidsaspecten, ook op onderzoeksniveau. Om dit te garanderen, werd het project actief ondersteund door de industriële gebruiker Audi, robotfabrikant Fanuc en het Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV).
In de sensortechnologie binnen RoKoRa zijn verschillende besturingsmechanismen ontwikkeld en geïmplementeerd. De sensorring bestaat momenteel uit zestien radarmodules, waarvan er acht voldoende zijn voor 360° bewaking. De acht andere modules fungeren als functionele redundantie.
De gegevensverwerking in het sensorknooppunt is ook voorzien van beveiligingsmaatregelen. Twee processors evalueren de meetgegevens onafhankelijk van elkaar, een derde vergelijkt de resultaten voordat de informatie wordt doorgestuurd naar de besturingssoftware van de robot. Dit zorgt niet alleen voor de veiligheid van het systeem tijdens de meting, maar ook tijdens de gegevensverwerking.
Het project werd gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en telde zeven projectpartners. Behalve de reeds genoemde partijen zijn dat het Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen (SCAI), IMST en Universität Kassel. Op de site van Fraunhofer-IAF vindt u een video van de demonstrator.
Foto: still video Fraunhofer-IAF