Wie Produktionsroboter schneller auf Menschen reagieren

Eine Kombination aus Lidar-Sensorik, KI-Auswertung und neuromorphen Chips soll industrielle Robotik reaktionsschneller machen. Entwickelt wurde die Technologie im Fraunhofer-Leitprojekt NeurOSmart.

Mehrere Fraunhofer-Institute haben in dem Projekt eine Technologieplattform aufgebaut, die eine sichere Zusammenarbeit von Menschen und Robotern in der Produktion ermöglichen soll. Zentrales Element ist ein Sensorsystem, das den Arbeitsbereich aus der Vogelperspektive überwacht. Es nutzt laut Fraunhofer-Gesellschaft einen Lidar-Laser, der kurze Impulse im Nahinfrarotbereich aussendet und aus deren Reflexion dreidimensionale Entfernungsdaten berechnet.

Bewegliche MEMS-Spiegel lenken den Laserstrahl über die gesamte Arbeitsfläche und erzeugen ein hochauflösendes 3D-Bild der Umgebung. Nach Angaben der Forschenden konnten sowohl Leistungsfähigkeit als auch Energieeffizienz der Spiegel gesteigert werden. Eingesetzt wird dazu unter anderem piezoelektrisches Aluminiumscandiumnitrid mit einer Schichtdicke von etwa einem Mikrometer.

Die erfassten Bilddaten werden direkt im Sensorsystem vorverarbeitet. KI-Algorithmen des Fraunhofer IMS analysieren die Signale und identifizieren besonders relevante Bereiche der Szene. Damit lässt sich der Sensor gezielt ausrichten, was die Datenmenge und den Energiebedarf reduziert.

Neuromorphe Chips werten Sensordaten aus

Auch die anschließende Auswertung der Daten erfolgt unmittelbar im Sensorsystem. Forschende des Fraunhofer IPMS setzen dabei auf neuromorphes Computing. Zum Einsatz kommen speziell entwickelte Beschleuniger-Chips, die aus zahlreichen kleinen Recheneinheiten bestehen und gemeinsam auf einem Wafer verschaltet sind. Jeder Chip agiert dabei als "denkende Zelle", die Entscheidungen treffen kann – angelehnt an die Arbeitsweise biologischer Nervensysteme. Die dafür benötigten KI-Modelle wurden vom Fraunhofer IAIS entwickelt.

Vom Empfang der Sensordaten bis zur Reaktion des Roboters vergehen laut Fraunhofer nur wenige Millisekunden. Damit kann ein Roboterarm verlangsamt oder gestoppt werden, wenn sich ein Mensch nähert. Für das Training simulierten die Forschenden komplette Roboterzellen einschließlich potenziell gefährlicher Situationen.

Technologieplattform für industrielle Anwendungen

Die im Projekt entwickelten Komponenten sollen eine standardisierte Plattform bilden, auf deren Basis Unternehmen eigene Anwendungen entwickeln können. Ziel ist es, die industrielle Produktion sicherer und effizienter zu machen. Potenzielle Einsatzbereiche sehen die Forschenden auch außerhalb der Fertigung: Die energieeffiziente Signalverarbeitung könnte künftig etwa in Drohnen oder landwirtschaftlichen Sensorsystemen eingesetzt werden.

An NeurOSmart beteiligt waren mehrere Fraunhofer-Institute, darunter das Fraunhofer ISIT, IPMS, IMS, IWU und IAIS. Koordiniert wurde das Projekt vom Fraunhofer ISIT.