Ein robotischer Mitarbeiter am FRM II

Herausforderung bei der Probenplatzierung

Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) in Garching bei München ist eine der weltweit führenden Einrichtungen, die der Wissenschaft und Industrie Neutronen für Messungen zur Verfügung stellt. Dementsprechend hoch ist die Nachfrage nach dieser Dienstleistung. Ein wesentliches Nadelöhr bei Messungen an den zahlreichen Instrumenten rund um den Reaktor sind die Einrichtzeiten, in denen Proben manuell im Strahlgang positioniert und korrekt justiert werden müssen. Und gelingt das, so sind herkömmliche Probentische in ihrer Bewegungsreichweite und der Wahl ihrer Rotationsachsen eingeschränkt.

Robotik als Lösung

Doch neben Reaktorphysikern und Instrumentenwissenschaftlern gibt es am FRM II glücklicherweise auch Maschinenbauer wie Lijiu Wang, der im Rahmen seiner Promotion an einem innovativen Robotersystem arbeitet, das eine größere Flexibilität und höhere Arbeitsgeschwindigkeit bieten soll. Der Roboterarm, der aktuell am Instrument STRESS-SPEC installiert ist, kann bereits jetzt – in Folge eines vorangegangenen Projekts – eine präzise Positionierung von Proben mit einer Genauigkeit von unter 50 µm erreichen.

Digitaler Zwilling des Roboters

„Ich arbeite an einer Automatisierung wichtiger Schritte bei einer Messreihe“, erklärt Lijiu Wang. „Dazu gehören die Kalibrierung des Instruments, der Probenwechsel und die optimale Ausrichtung von Proben zum Neutronenstrahl – ganz ohne menschliches Zutun.“
Ein essenzieller Baustein in diesem Vorhaben ist die kollisionsfreie Pfadplanung des Roboters. Lijiu Wang führt weiter aus: „Damit der Roboter präzise navigieren kann und Kollisionen mit wichtigen wissenschaftlichen Messinstrumenten vermeidet, wird ein digitaler Zwilling der unmittelbaren Umgebung des Roboters erstellt. Kameras erfassen die genaue Lage der Probe und ermöglichen eine präzise Positionierung.“

Technik für weitere Instrumente interessant

Dr. Michael Hofmann, Instrumentenwissenschaftler am STRESS-SPEC und Promotionsmentor von Lijiu Wang, sieht eine viel weitergehende Anwendung der Kameratechnik: „Sollte sich die Lokalisierung bestimmter Probengeometrien im Raum mit dem Kamerasystem etablieren, lässt sich diese Technik auf viele weitere ähnliche wissenschaftliche Instrumente anpassen, um eine präzise und schnelle Positionierung von Proben oder Instrumententeilen zu ermöglichen.“
Eine weitere Anwendung dieser digitalen Umgebung sieht Dr. Michael Hofmann in der Ausbildung: „Studierende können damit beispielsweise unkompliziert an den Umgang mit und die Programmierung eines solchen Systems herangeführt werden. Ergänzt durch eine geeignete Simulationssoftware lassen sich Messabläufe zudem realitätsnah am Computer nachstellen.“ Er erklärt weiter: „So können Studierende gefahrlos üben und gleichzeitig besser verstehen, wie ein Experiment an einem Neutronenstreuinstrument funktioniert.“