Projekt: ULTRABOT

ULTRABOT - Multifrequente und ultraschall-basierte Gefahrenabsicherung zur sicheren Kollaboration von Mensch und Roboter

Projektlaufzeit: 07/2025 - 06/2028

Projekt ULTRABOT hilft dabei, dass Menschen und Roboter sicher zusammen arbeiten können.

Die Vision: Industrieroboter und Menschen teilen sich denselben Arbeitsraum – sicher, ohne Schutzzaun, ohne Sichteinschränkung.

Das Forschungsprojekt ULTRABOT macht dies möglich: Miniaturisierte, multifrequente MEMS-Ultraschallsensoren werden direkt an der Roboteroberfläche angebracht und gewährleisten eine lückenlose 360°-Umgebungserfassung mit dynamischer Schutzraumüberwachung gemäß ISO/TS 15066.

Die Herausforderung – Sicherheit in der Mensch-Roboter-Kollaboration

Seitens der Industrie sowie dem Medizin- und Pflegebereich besteht ein großer Bedarf an kollaborativen Robotersystemen, die den Arbeitsraum mit dem Menschen teilen und gemeinsam Arbeiten durchführen. Ziel dieser Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) ist die Zusammenführung der kognitiven, hochgradig flexiblen und feinfühligen Fähigkeiten des Menschen mit den Stärken von Robotern wie Präzision, hohe Tragfähigkeit und ununterbrochenem Einsatz.

Herkömmliche Schutzlösungen stoßen dabei an ihre Grenzen:

Technologie	Einschränkung
Schutzzäune	Unflexibel, kein gemeinsamer Arbeitsraum möglich
Kamerasysteme	Lichtabhängig, anfällig für Verdeckung, Rauch, Staub
Kapazitive Sensoren	Erfassungsreichweite nur 10–20 cm, daher kann der Roboter nur sehr langsam arbeiten
Bulk-Piezo-Ultraschall (Parksensoren)	Feste Sendefrequenz, keine Positionsbestimmung, RoHS-problematisch (enthalten Blei)

Die Lösung – ULTRABOT: Intelligente Ultraschallhaut für Roboter

© Fraunhofer IPMS, Fraunhofer IFF
Messsystem mit elektronischer Ansteuerung und zugehörender Software. Links: Modellaufbau am Fraunhofer IPMS / Rechts: Testaufbau am Fraunhofer IFF

Das Projekt ULTRABOT entwickelt eine flexible Ultraschallsensorhaut, die direkt an der Oberfläche von Roboterarmen montiert wird. Dadurch können Roboter ihre Umgebung kontinuierlich überwachen und Personen oder Hindernisse frühzeitig erkennen. Herzstück der Sensorhaut ist die am Fraunhofer IPMS patentierte LCMUT-Technologie (Lateral Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) – ein vollständig aus Silizium gefertigter, miniaturisierbarer Ultraschallwandler, der sich besonders gut für kompakte und robuste Sensorsysteme eignet.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Ultraschallsensoren misst die neue Technologie nicht nur den Abstand zu Objekten, sondern bestimmt auch deren genaue Position und erkennt, ob und wie schnell sie sich bewegen. Möglich wird dies durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Ultraschallfrequenzen sowie besonders empfindlicher Mikrofone, die einen größeren Erfassungsbereich und eine deutlich höhere Messgenauigkeit ermöglichen. Eine speziell entwickelte Elektronik und intelligente Signalverarbeitung werten die Messdaten in Echtzeit aus und liefern zuverlässige Informationen über die Umgebung des Roboters.

Dadurch kann der Roboter Personen und Hindernisse früher erkennen, ihre Bewegungsrichtung und Annäherungsgeschwindigkeit berücksichtigen und entsprechend reagieren. Das erhöht die Sicherheit in der Mensch-Roboter-Kollaboration und ermöglicht gleichzeitig kleinere Sicherheitsabstände, ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit einzugehen. So lassen sich Roboter flexibler, effizienter und sicherer in Produktions- und Arbeitsumgebungen einsetzen.

Technologische Alleinstellungsmerkmale & daraus resultierende Vorteile im Überblick:

Multifrequente, zeitsynchrone Schallemission (30 kHz – 100 kHz)	Schnellere und präzisere Erkennung von Menschen und Objekten – ohne Zeitverlust durch sequenzielle Messzyklen. Das System reagiert in ≤ 100 ms und erlaubt so höhere Robotergeschwindigkeiten bei gleichzeitig maximaler Sicherheit.
Bioinspiriertes Messprinzip (analog zum Echolot der Fledermaus): niedrige Frequenzen für Fernbereich, hohe Frequenzen für präzise Nahbereichsdetektion	Das System "denkt mit": Je näher ein Mensch kommt, desto genauer wird er erfasst (±10 mm bei < 1 m). Unnötige Roboterstopps durch Fehlalarme werden minimiert – der Roboter fährt im sicheren Fernbereich normal weiter und bremst nur dann, wenn es wirklich notwendig ist.
Simultane Abstands- und Geschwindigkeitsmessung durch frequenzmodulierte Chirp-Signale	Herkömmliche Systeme wissen nur, wo jemand ist – ULTRABOT weiß auch, wie schnell sich jemand nähert. Der dynamische Sicherheitsabstand wird daher noch präziser berechnet. Der Roboter kann entsprechend differenziert reagieren und unnötige Produktionsunterbrechungen vermeiden.
Kein Infrastrukturbedarf in der Umgebung – vollständig robotergebunden	Die Anlage ist sofort einsatzbereit – ohne teure Umbaumaßnahmen in der Produktionshalle. Besonders wertvoll für mobile Roboter (AMR) und flexible Produktionslinien, die ihren Standort wechseln: Das Sicherheitssystem zieht einfach mit. Installations- und Inbetriebnahmekosten werden drastisch reduziert.
Redundante Sensoranordnung für funktionale Sicherheit (diversitäre Redundanz)	Die diversitäre Redundanz ist eine Kernanforderung der ISO 13849-1 für sicherheitskritische Steuerungen. Das System erfüllt damit die normativen Grundlagen für den Einsatz als zertifizierbare Schutzeinrichtung – ohne zusätzliche externe Backup-Systeme.

Wie funktioniert ULTRABOT?

1. Sensorerfassung: Mehrere LCMUT-Sender emittieren gleichzeitig bei verschiedenen Frequenzen. Breitbandige MEMS-Mikrofone empfangen die reflektierten Signale.

2. Signalverarbeitung: Eine modulare Elektronik verarbeitet die Messdaten zeitsynchron und bestimmt Abstand, Position und Annäherungsgeschwindigkeit von Personen oder Objekten in Echtzeit.

3. Dynamische Schutzraumbestimmung: Basierend auf der Abstandsformel aus ISO/TS 15066 wird in Abhängigkeit von Robotergeschwindigkeit, Gelenkstellung und Traglast kontinuierlich ein dynamischer Sicherheitsabstand berechnet und überwacht.

4. Sicherheitsreaktion: Bei Unterschreitung des Schutzabstands reagiert das System innerhalb von ≤ 100 ms – der Roboter verlangsamt oder stoppt.

Welche Anwendungsbereiche profitieren von der neuen Technologie?

© edited using magnific AI
ULTRABOT trägt zu einem sicheren Einsatz in Produktions- und Fertigungsumgebungen bei.

© edited using magnific AI
ULTRABOT unterstützt einen sicheren Robotereinsatz im Medizin- und Pflegebereich.

Industrielle Produktion & Fertigung

Die Forderungen nach maximaler Flexibilität im Produktionsprozess (Produkt- und Variantenvielfalt bei Losgröße 1) sowie der bestehende und weiter zunehmende Mangel an Fach- und Arbeitskräften führen zu einem hohen Bedarf an robotergestützen Anlagen in der Industrie. ULTRABOT ist für die Absicherung stationärer Industrieroboter entwickelt und trägt zu einem sicheren Einsatz in Produktions- und Fertigungsumgebungen bei.

Medizin- und Pflegebereich

Die hohe menschlichen Beanspruchung im Medizin- und Pflegebereich sowie der durch den demografischen Wandel befeuerte Fachkräftemangel sind Herausforderungen, die hohes Potenzial für innovative Lösungen durch Roboter bieten. Die Vorteile von Robotern liegen in der hohen Präzision, Tragfähigkeit und ununterbrochenem Einsatz, welche den Menschen von psychisch/physisch anstrengenden, unergonomischen oder monotonen Arbeiten entlasten. Da sich hier häufig Personen im Umfeld von Robotern aufhalten, die nicht mit ihnen vertraut sind (bspw. Patienten), unterstützt ULTRABOT einen sicheren Robotereinsatz.

Mobile & ortsflexible Robotik (AMR)
Die Technologie eignet sich auch für autonome mobile Roboterplattformen (AMR) sowie kollaborative, ortsflexible Industrieroboter und erweitert damit die Einsatzmöglichkeiten über stationäre Roboter hinaus.

Konsortium

Das Projekt ULTRABOT ist ein gemeinsames Forschungsprojekt des Fraunhofer IPMS und Fraunhofer IFF:

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden: Entwicklung der LCMUT-Ultraschallsensoren, Elektronik, Signalverarbeitung und multifrequenter Messverfahren. Das Fraunhofer IPMS verfügt über patentierte NED/LCMUT-Technologie und langjährige Erfahrung in MEMS-basierten Ultraschallanwendungen.

Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF, Magdeburg: Sicherheitskonzeption, Schutzraumverfahren, normative Anforderungen und Demonstratorintegration. Das Fraunhofer IFF besitzt patentierte Technologien zur taktilen Sensorik und kamerabasierten Abstandsüberwachung sowie enge Kooperationen mit Zertifizierungsstellen (IFA der DGUV).