Sensorik Innovativer LiDAR-Sensor für die Robotik

Redakteur: Andreas Leu

In der aktuellen Ausgabe der «Vision News» präsentiert die Firma Pepperl + Fuchs AG aus Studen ihre neuesten Produkte. 3-D-Mehrlagenscanner erkennt Teile, liefert Koordinaten und überwacht Arbeitsbereiche.

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(Bild: Pepperl+Fuchs)

Der Mehrlagenscanner R2300 von Pepperl + Fuchs wurde für die technisch wie wirtschaftlich effiziente Umsetzung von 3-D-Messaufgaben entwickelt. Insbesondere in unterschiedlichen Robotikapplikationen kann das Gerät seine Stärken ausspielen. Seine insgesamt vier Scanebenen, mit denen der Sensor eine dreidimensionale Messgeometrie erzeugt, ermöglichen es, die Arbeitsräume von Robotern zu überwachen, die Maschinen mit Sehvermögen auszustatten und Koordinaten für unterschiedlichste Roboteraktionen zu liefern.

Die Messwerte werden direkt, das heisst ohne Vorverarbeitung ausgegeben und können von Integratoren direkt in deren Steuerungsanwendungen und Automatisierungslösungen übernommen werden, um beispielsweise die 3-D-Messdaten in Positions- und Greifkoordinaten umzurechnen. Auf diese Weise hat der Integrator vollen Zugriff auf die im Sensor ermittelten Messwerte und kann so mit eigenem Know-how die Automatisierungslösung optimal für die individuelle Aufgabe gestalten.

Baugrösse und Performance für Robotikanwendungen optimiert

Unterschiedliche Eigenschaften qualifizieren den 3-D-LiDAR-Mehrlagenscanner (Light Detection And Ranging) als ideale Lösung für eine Vielzahl von Robotikanwendungen. Entscheidend ist zunächst die integrationsfreundliche Baugrösse. Der R2300 ist gerade einmal 58 Millimeter hoch und kann dadurch platzsparend am Roboter selbst, aber auch in seiner Peripherie installiert werden. Der Sensor ist komplett mit Laserlichtquelle, Empfänger, Auswerteelektronik und Schnittstelle in einem Komplettgehäuse integriert. In Kombination mit der sehr störsicheren Pulse Ranging Technology (PRT) ist das Gerät unempfindlich gegen Fremdlicht. Eine weitere Besonderheit des Sensors besteht darin, dass neben dem eigentlichen infraroten Sensor, der für die Messfunktion verwendet wird, noch ein zusätzlicher roter Sender im Gerät verbaut ist. Dieser, auch als Pilotlaser bezeichnete Sender, wird in die optische Ebene des Geräts eingespiegelt und dient der optimalen Ausrichtung des Geräts. Da der Optikweg von Mess- und Pilotlaser identisch ist, sieht man als Anwender den Pilotlaser somit genau an der Stelle, wo auch die Messung erfolgt. Für den Betrieb des Geräts wird der Pilotlaser — obwohl in der Laserklasse 1 betrieben — aber abgeschaltet, sodass Irritationen von Personen ausgeschlossen sind. Die Lichtemission des Messlasers erfolgt ebenfalls in der Laserklasse 1 — es müssen also keine zusätzlichen technischen oder organisatorischen Massnahmen beim Einsatz des R2300 vorgenommen werden. Gleichzeitig bietet der 3-D-LiDAR-Sensor eine hohe Leistungsdichte für eine präzise Winkel- und Distanzmessung. Zu nennen sind insbesondere der Messbereich von vier Metern auf schwarzen Oberflächen und zehn Metern auf weissen Objekten, eine Messrate von 90 kHz sowie wählbare Scanraten von 12,5 oder 25 Hz mit bis zu 4000 Pixeln pro Scan. Besonders hervorzuheben ist die Winkelauflösung des R2300 von nur 0,1°, wie sie derzeit kein anderer vergleichbarer LiDAR- oder Mehrlagensensor bietet.

Präzise Messung auch bei schwierigem Umfeld

Mit dem lasertypischen kleinen Infrarotlichtfleck, der sich scharfkantig auf dem Objekt abbildet, ist der 3-D-Mehrlagenscanner in der Lage, auch filigrane Objektstrukturen und Konturen zuverlässig zu erkennen. Der Sensor erreicht dadurch eine beeindruckende Genauigkeit, die beispielsweise beim Palettieren bzw. Depalettieren oder Aufnehmen von einem Werkstückträger oder Rack ein sicheres Greifen durch Roboter ermöglicht. In vielen Roboterapplikationen geht es um das Handling von Teilen, also um gezieltes Greifen, Positionieren, Übergeben oder Ablegen. Die Aufgabe ist umso anspruchsvoller, je schwieriger diese Teile zu detektieren sind. Komplexe Strukturen, reflektierende oder gar glänzende Oberflächen, aber auch Materialien, die Licht fast vollständig absorbieren, stellen hohe Anforderungen an die 3-D-Erfassung. Der R2300 meistert diese Herausforderungen unter Nutzung der PRT, die sich bereits in einer Vielzahl anderer Sensoren der Automatisierungstechnik aus dem Hause Pepperl + Fuchs bewährt. Die kurzen, energiereichen Lichtpulse, die der Halbleiterlaser aussendet, werden vom Zielobjekt reflektiert und von einem Empfangselement im Sensor wieder erfasst. Die Zeit zwischen den Sende- und Empfangszeitpunkten korreliert direkt und linear mit der Entfernung zum Objekt, beispielsweise einem Werkstück auf einer Fördereinrichtung oder einem Gegenstand im Arbeitsraum des Roboters. Die Folge davon sind unter anderem grosse Messbereiche und Funktionsreserven, eine aussergewöhnliche Präzision und die weitgehende Unabhängigkeit von Objekt- und Oberflächeneigenschaften. Hinzu kommt ein sehr hohes Mass an Störfestigkeit in Bezug auf die Umfeldbedingungen wie Fremdlicht oder HF-Lampen. Gerade für Applikationen in der Robotik sind Detektionsqualität, Maschinenverfügbarkeit und Prozesssicherheit entscheidende Faktoren für die Eignung eines messenden Sensors. Dafür, dass die Messungen auch bei ungünstigen optischen Erscheinungsbildern der Objekte oder bei Einfall von Fremdlicht aus dem Einsatz­umfeld in das Messfeld sehr präzis und wiederholgenau erfolgen, sorgt der bis zu 1000-mal höhere Energiegehalt der ausgesendeten Einzelpulse im Vergleich zu Messverfahren mit permanent modulierten Lichtquellen.

Adaptierbar für verschiedenste Applikationen

Der R2300 hat einen Messwinkel von 100°, wie er sich in zahlreichen Applikationen der Roboterführung oder der Arbeitsraumüberwachung als optimal erweist. Dieses Standardsichtfeld kann jedoch je nach erforderlichem «Sehvermögen» eingeschränkt oder auch vergrössert werden. Zum einen kann durch gezieltes Ausblenden an den Aussenseiten des Detektionsfelds ein individuelles Messfenster konfiguriert werden. Nicht relevante Messbereiche liefern somit keine Messdaten, was den Rechenaufwand im Sensor wie auch die Datenausgabelast reduziert und eine performantere Leistung nachgelagerter Applikationen ermöglicht. Zum anderen besteht die Möglichkeit, mit einem zweiten, Seite an Seite montierten R2300 das Sichtfeld auf 180° zu vergrössern, sollten spezielle Randbedingungen von Applikationen das erfordern. Das Sensorgehäuse ist durch seitliche Schrägen hierfür bereits entsprechend vorbereitet. Schliesslich kann auch jede der vier Scanebenen des 3-D-Mehrlagenscanners genutzt werden, um im Sichtfeld jeweils einzelne Objekte oder Zustände unabhängig voneinander zu detektieren.

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