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Automation

Multimodale Sensoren: Ein Roboter entwickelt Feingefühl

| Redakteur: Jürgen Schreier

Intelligente Roboter nehmen ihre Umgebung wahr und reagieren auf diese. Dazu benötigen sie Sensoren, die verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen. Am KIT entwickelte multimodale Sensoren entwickelt, die sowohl Bewegungen als auch Berührungen detektieren, ergänzen dabei die optischen Systeme.

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Mit den kapazitiven taktilen Näherungssensoren kann ein Roboter seine Umgebung bzw. unbekannte Objekte in der Umgebung erkunden.
Mit den kapazitiven taktilen Näherungssensoren kann ein Roboter seine Umgebung bzw. unbekannte Objekte in der Umgebung erkunden.
( Bild: Stefan E. Navarro )

Roboter können den Menschen eintönige, beschwerliche oder gefährliche Arbeiten abnehmen - sei es in der Produktion, Logistik oder bei Wartungsaufgaben. Intelligent ist ein Roboter dann, wenn er seine Umgebung wahrnimmt und auf sie reagiert. Dadurch kann er auch komplexe Aufgaben ausführen - beispielsweise unbekannte Objekte greifen, dabei flexibel agieren und sicher mit dem Menschen interagieren.

Intelligente Roboter benötigen dazu Sensoren, die ihnen Informationen über ihre Umgebung vermitteln. So wie ein Mensch verschiedene Sinne gleichzeitig nutzt und die einzelnen Wahrnehmungen im Gehirn zu einem Gesamtbild verknüpft, muss ein intelligenter Roboter über sogenannte multimodale Sensorik verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen und auswerten können.

Stationäre und mobile Roboter verfügen häufig über 2D- oder 3D-Kameras und Laserscanner, um ihr Umfeld optisch wahrzunehmen. Allerdings ist die Genauigkeit dieser optischen Systeme bisweilen durch ungünstige Lichtverhältnisse oder verdeckende Objekte beeinträchtigt. Forscher am Institut für Anthropomatik und Robotik (IAR) – Intelligente Prozessautomation und Robotik (IPR) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Sensoren entwickelt, die die etablierten optischen Systeme ergänzen.

Näherungssensoren erfassen Bewegungen und Berührungen gleichzeitig

Die ergänzenden Sensoren, die bisher an Armen und Greifern von Robotern eingesetzt werden, sind meist auf eine Funktion beschränkt: Sie detektieren entweder Bewegungen durch Annäherung eines Objekts oder Berührungen in Form von Druck. Hingegen bringen die am KIT entwickelten "kapazitiven taktilen Näherungssensoren" (TNS) beide Funktionen unter einen Hut: Sie erfassen sowohl Bewegungen als auch Berührungen – bei Bedarf beides gleichzeitig.

Ein einzelnes Sensormodul besteht aus drei Schichten: Eine flächige Bodenelektrode bildet die unterste Schicht. Die isolierende Zwischenschicht ist aus einem komprimierbaren Material gefertigt, beispielsweise aus Schaumstoff. Die oberste Schicht ist aus mehreren geometrischen, regelmäßig angeordneten Deckelelektroden zusammengesetzt.

Je nach Anwendung lassen sich Zahl und Form der Deckelelektroden variieren. Die steuernde Elektronik lässt sich räumlich getrennt von den Sensormodulen verbauen. Einsetzen lassen sich die Sensormodule einzeln oder als Sensorsystem aus mehreren vernetzten Modulen.

Nähert sich ein Objekt dem Roboter, verändert sich das elektrische Feld, das den Sensor umgibt. Diese Information wird als Näherungsinformation ausgewertet. So detektiert der Sensor Bewegungen. Dagegen werden Berührungen, die zu einer mechanischen Komprimierung der Zwischenschicht führen, als Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden erfasst.

Kompromiss zwischen Reichweite und Ortsauflösung

"Die Deckelelektroden lassen sich beliebig zusammenfassen", erklärt Prof. Björn Hein, Leiter der Gruppe Intelligente Industrieroboter (IIROB) am IAR-IPR des KIT. "So lässt sich je nach Situation ein passender Kompromiss zwischen der Reichweite und der Ortsauflösung des Sensors finden." Die Sensormodule lassen sich zu Sensorflächen in unterschiedlichen Größen vernetzen – von kleinen Flächen an Greifern bis hin zur großflächigen Roboterhaut.

Die kapazitiven taktilen Näherungssensoren (TNS) erhöhen die Flexibilität und Agilität der automatisierten industriellen Produktion deutlich. Zudem verbessern sie die Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion. Die Sensoren detektieren und lokalisieren herankommende Menschen und erzeugen Warnsignale, sobald vordefinierte Sicherheitsabstände unterschritten werden. Daraufhin wird die Geschwindigkeit der Aufgabenausführung reduziert oder sogar der Roboter angehalten.

Auf der HANNOVER MESSE 2018 (23. bis 27. April) zeigt das KIT im Rahmen der internationalen Leitmesse "Research & Technology" am Stand B16 in Halle 2, was mit den kapazitiven taktilen Näherungssensoren (TNS) möglich ist.

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Stefan E. Navarro; gemeinfrei; Avnet Integrated; fischertechnik; Axians; Peakboard; Medisana/Oliver Eltinger; iStock