Roboterpositionierung
Präzise durch Radar
Höchstpräzise 3D-Positionierung von Industrierobotern - für beispielsweise Bearbeitungsprozesse - ist immer noch ein nicht ausreichend gelöstes Problem in der Messtechnik. Abhilfe soll hier zukünftig ein auf günstiger Millimeterwellen-Technologie basierendes Radarmesssystem zur 3D-Positionierung schaffen.
Bild: IBG Robotronic GmbHGünstige Radar-basierte Sensortechnik zur präzisen Bestimmung von Abständen ist eine Schlüsseltechnologie für autonome Fahrzeuge, die zukünftig auch in der 3D-Positionierung von Robotersystemen Anwendung finden wird. Die auf elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich um 80GHz oder höher basierenden kompakten Radarsensoren erlauben mittlerweile höchstpräzise 1D-Entfernungsmessungen mit Genauigkeiten im 1µm Bereich. Durch die größere Wellenlänge sind in rauen Umgebungen mit Dampf, Staub und Partikeln in der Luft deutlich robustere Messungen als mit Laser-basierten Messsystem möglich.
Bild: Ruhr-Universität BochumPositioniergenauigkeit < 100µm
FMCW Radarsysteme basieren auf dem ToF-Prinzip (Time of Flight) und erlauben die höchstpräzise Messung von Laufzeiten der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die nahe der Lichtgeschwindigkeit liegt, bekannt ist, kann mit der Laufzeitmessung eine sehr präzise Entfernungsmessung durchgeführt werden. Das Messprinzip wird derzeit im Projekt Radarmeter-3D genutzt, um auch Industrieroboter in Zukunft hochpräzise zu positionieren. Dazu werden mehrere intelligente Sensoren über eine Fusionseinheit vernetzt und an die Robotersteuerung angebunden. Die Sensoren erlauben die Bestimmung der Position auf Basis mehrerer 1D-Messungen, die mit Hilfe von Multilaterationsalgorithmen in eine 3D-Roboterposition fusioniert werden. Dabei werden im Raum intelligente Radarziele verteilt, die eine präzise Bestimmung der Entfernung und die Winkellage zum Ziel ermöglichen. Über eine Vorabsimulation der Roboterposition und in einer auf dem Sensor gespeicherten Datenbank mit Informationen über die zu jedem Zeitpunkt für die Sensoren sichtbaren Radarziele, die aus der zuvor durchgeführten Vorabsimulation mit Bahnplanung gewonnen werden, kann der intelligente Radarsensor die Ziele von Umgebungsreflexionen trennen. Dadurch ist für jeden Sensor die Bestimmung eines Vektors vom TCP (Tool Center Point) zum Radarziel möglich. Die Einzelmessungen der Sensoren mit Winkel und Abstand zu den Radarzielen werden genutzt, um die genaue Lage des TCP im Raum zu bestimmen. In dem im März 2017 begonnenen Projekt Radarmeter-3D wird eine Positioniergenauigkeit von besser als 100µm angestrebt, die für viele Anwendungen wie Fräsen, Schleifen oder Montage die nötige Präzision liefert.
Zukunft der Radarsensorik
Zusätzlich zur 3D-Positionierung eignet sich eine Radar-basierte Sensortechnik, um Industrieroboter besser mit ihrem Umfeld interagieren zu lassen. So können Sensoren genutzt werden, um das Roboterumfeld zu scannen, sich ein genaues Abbild der Umgebung zu verschaffen und Entfernungen zu Objekten präzise zu vermessen. Darüber hinaus können die Sensoren z.B. bei Klebeprozessen als NDT-Sensor für zerstörungsfreies Prüfen von Klebestellen genutzt werden, da das Radarsignal in die meisten dielektrischen Stoffe durchdringen kann. Eine weitere Anwendung ist die Qualitätsüberprüfung von Oberflächen, um Unebenheiten zu detektieren oder aufgrund der Reflexionseigenschaften auf z.B. Lackdicken schließen zu können. Radarsensoren können auch zur direkten Überprüfung von Schweißnähten in Schweißprozessen genutzt werden, da die Radarsignale - anders als optische Sensoren - nicht durch den hellen Schweißprozess gestört werden.
Höchstpräzise 3D-Positionierung von Industrierobotern - für beispielsweise Bearbeitungsprozesse - ist immer noch ein nicht ausreichend gelöstes Problem in der Messtechnik. Abhilfe soll hier zukünftig ein auf günstiger Millimeterwellen-Technologie basierendes Radarmesssystem zur 3D-Positionierung schaffen.
Bild: IBG Robotronic GmbHGünstige Radar-basierte Sensortechnik zur präzisen Bestimmung von Abständen ist eine Schlüsseltechnologie für autonome Fahrzeuge, die zukünftig auch in der 3D-Positionierung von Robotersystemen Anwendung finden wird. Die auf elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich um 80GHz oder höher basierenden kompakten Radarsensoren erlauben mittlerweile höchstpräzise 1D-Entfernungsmessungen mit Genauigkeiten im 1µm Bereich. Durch die größere Wellenlänge sind in rauen Umgebungen mit Dampf, Staub und Partikeln in der Luft deutlich robustere Messungen als mit Laser-basierten Messsystem möglich.
Ruhr-Universität Bochum
Dieser Artikel erschien in ROBOTIK UND PRODUKTION 4 2017 - 30.10.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.robotik-produktion.de
