Ultraschallsensorik für sichere Mensch-Roboter-Kollaboration (Projekt ULTRABOT)

Viele Unternehmen wollen Roboter flexibler einsetzen. Sie sollen Menschen bei schweren, monotonen oder ergonomisch belastenden Aufgaben unterstützen. Sie sollen präzise arbeiten, hohe Lasten bewegen und auch dann einsatzbereit sein, wenn Fachkräfte fehlen.

Doch genau dort, wo Mensch und Roboter nah zusammenarbeiten könnten, entsteht ein Sicherheitsproblem. Klassische Schutzzäune trennen Mensch und Maschine zuverlässig. Sie nehmen der Produktion aber auch Fläche, Flexibilität und Prozessnähe. Für wechselnde Aufgaben, kleine Losgrößen oder mobile Roboterlösungen sind starre Schutzeinrichtungen oft zu unpraktisch bzw. schlicht nicht umsetzbar.

Im Projekt ULTRABOT wird deshalb eine ultraschallbasierte Sicherheitstechnologie für die Mensch-Roboter-Kollaboration entwickelt. Ziel ist eine flexible Sensorhaut, die direkt auf der Roboteroberfläche angebracht wird. Sie soll die Umgebung des Roboters rundum erfassen, Abstände dynamisch überwachen und so eine sichere, unmittelbare Zusammenarbeit von Mensch und Roboter ermöglichen.

Das Fraunhofer IFF bringt dafür seine Kompetenzen in der sicheren Roboteranwendung, der Schutzraumüberwachung und der normgerechten Auslegung kollaborativer Robotersysteme ein. Im Projekt entsteht ein Demonstrator für eine industrielle Roboterapplikation, an dem die Technologie erprobt und bewertet wird.

Sichere Mensch-Roboter-Kollaboration ohne starre Schutzeinrichtung

Produzierende Unternehmen müssen heute mehrere Ziele gleichzeitig erreichen. Sie brauchen mehr Flexibilität in der Fertigung. Sie müssen Variantenvielfalt und Losgröße 1 wirtschaftlich beherrschen. Sie wollen Mitarbeitende entlasten und trotz Fachkräftemangel stabile Prozesse sichern.

Roboter können hier viel leisten. Sie arbeiten präzise, wiederholgenau und dauerhaft. Sie übernehmen schwere oder monotone Tätigkeiten. In der Praxis bleiben viele Anwendungen aber hinter ihren Möglichkeiten zurück, weil Mensch und Roboter räumlich voneinander getrennt werden müssen oder nur mit stark begrenzten Geschwindigkeiten zusammenarbeiten dürfen.

Das betrifft besonders Anwendungen, bei denen der Mensch im Prozess bleiben muss: beim Zuführen, Prüfen, Nacharbeiten, Assistieren, Montieren oder bei wechselnden Arbeitsschritten. Wird der Roboter durch Zäune abgeschottet, sinkt die Flexibilität. Wird er zu stark abgebremst, leidet die Wirtschaftlichkeit.

Ein zentraler Ansatz ist deshalb die kollaborative Betriebsart »Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung«. Dabei wird ein sicherer Abstand zwischen Mensch und Roboter permanent überwacht. Der Roboter kann seine Bewegung anpassen, bevor es zu einer gefährlichen Annäherung kommt. Diese Form der Zusammenarbeit ist für flexible MRK-Arbeitsplätze besonders interessant. Bisher fehlt dafür jedoch eine geeignete, breit einsetzbare Schutzeinrichtung am Markt.

Genau hier setzt ULTRABOT an.

Projektziel: eine flexible Sensorhaut für sichere Roboternähe

Ziel des Projekts ist es, eine ultraschallbasierte Technologie für sichere Mensch-Roboter-Kollaboration zu entwickeln und in einem Demonstrator zu erproben.

Die Technologie soll aus kostengünstigen, miniaturisierten und multifrequenten Ultraschallsensoren bestehen. Diese Sensoren werden als flexible Haut direkt auf der Roboteroberfläche angebracht. So soll der Roboter seine Umgebung robust und lückenlos erfassen können.

Damit soll eine dynamische Abstandsbestimmung möglich werden. Der Sicherheitsabstand wird nicht statisch festgelegt, sondern abhängig von der aktuellen Roboterkonfiguration berechnet. Dazu zählen unter anderem Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit, Traglast und Ausladung des Roboters.

Das Projekt soll zeigen, wie sich diese Technologie für die kollaborative Betriebsart »Geschwindigkeits- und Abstandsüberwachung« nutzen lässt. Perspektivisch kann sie dazu beitragen, schutzzaunlose MRK-Anwendungen sicherer, platzsparender und wirtschaftlicher umzusetzen.

Unser Ansatz: Ultraschallbasierte Rundumerfassung direkt am Roboter

ULTRABOT verfolgt einen lokalen Sensoransatz. Die Sicherheitstechnologie muss nicht aufwändig im Raum verteilt installiert werden, sondern wird direkt an der Roboteroberfläche angebracht. Dadurch kann sie sich mit dem Roboter bewegen und den sicherheitsrelevanten Bereich um den Roboter kontinuierlich erfassen.

Im Projekt wird ein industrieller 6-Achs-Knickarmroboter mittlerer Größe als Demonstrator genutzt. Mindestens drei Achsen sollen mit dem Ultraschallsystem ausgestattet werden. Pro Gelenk sind 16 Sender und 8 Empfänger vorgesehen. Die Sensoren arbeiten im Frequenzbereich von 30 bis 100 Kilohertz.

Durch die multifrequente Auslegung soll die Erfassung an die jeweilige Situation angepasst werden. Bei größerem Abstand steht die Reichweite im Vordergrund. Nähert sich ein Objekt, soll die Frequenz so angepasst werden, dass die Detektionsgenauigkeit steigt.

So entsteht eine technische Grundlage für eine dynamische Schutzraumüberwachung. Das System soll erkennen, wo sich Menschen oder Objekte im Arbeitsraum befinden, wie weit sie vom Roboter entfernt sind und ob der Roboter seine Bewegung anpassen muss.

Der Demonstrator soll eine industrielle Roboterapplikation abbilden. Im Mittelpunkt steht die Frage, ob die ultraschallbasierte Sensorhaut die für die Personensicherheit notwendigen Anforderungen erfüllen kann.

Nutzen und Perspektive für Unternehmen

Für produzierende Unternehmen liegt der praktische Nutzen vor allem in mehr Spielraum für flexible Automatisierung.

Wenn Roboter sicher näher am Menschen arbeiten können, lassen sich neue MRK-Anwendungen erschließen. Das betrifft zum Beispiel Montage, Handhabung, Maschinenbeschickung, Prüfung, Nacharbeit oder ergonomische Assistenzaufgaben. Auch Anwendungen mit größeren Robotern oder höheren Traglasten werden interessanter, wenn der Sicherheitsabstand dynamisch überwacht werden kann.

Unternehmen könnten damit künftig:

• Roboterarbeitsplätze flexibler planen,
• Schutzräume dynamischer nutzen,
• starre Schutzeinrichtungen reduzieren,
• Mitarbeitende bei körperlich belastenden Aufgaben entlasten,
• Automatisierung auch bei kleinen Losgrößen und wechselnden Prozessen wirtschaftlicher einsetzen,
• Sicherheitsanforderungen frühzeitig in die technische Auslegung einbeziehen.

Die Technologie ist branchenübergreifend relevant, unter anderem für Automobilproduktion, Flugzeugbau, industrielle Fertigung, Lebensmittelindustrie sowie Medizin und Pflege.

Fachlich verantwortlich:
Dr. Christian Vogel