Intelligente Roboter mit Feingefühl

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

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: KIT/Stefan E. Navarro)

Intelligente Roboter nehmen ihre Umgebung wahr und reagieren auf sie. Dazu benötigen sie Sensoren, die verschiedene physikalische Ereignisse simultan erfassen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben multimodale Sensoren entwickelt, die sowohl Bewegungen als auch Berührungen detektieren und damit optische Systeme ideal ergänzen.

Roboter können den Menschen eintönige, beschwerliche oder gefährliche Arbeiten abnehmen. Längst ist ihr Einsatz in vielen Bereichen der Wirtschaft etabliert, wie in der industriellen Produktion, Wartung, Logistik oder Landwirtschaft. Ein intelligenter Roboter zeichnet sich dadurch aus, dass er seine Umgebung wahrnehmen und auf sie reagieren kann. So kann er komplexe Aufgaben ausführen, beispielsweise unbekannte Objekte greifen, dabei flexibel agieren und sicher mit dem Menschen interagieren.

Sensoren ergänzen optische Systeme

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 2-D- oder 3-D-Kameras und Laserscanner, um ihr Umfeld optisch wahrzunehmen. Allerdings ist die Genauigkeit dieser optischen Systeme häufig 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, welche die etablierten optischen Systeme ergänzen.

Sensoren erfassen Bewegungen und Berührungen gleichzeitig

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

Mit den kapazitiven taktilen Näherungssensoren lassen sich Flexibilität und Agilität der automatisierten industriellen Produktion deutlich erhöhen. Zudem verbessern die TNS die Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion: Sie 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. Die TNS können damit einen wichtigen Beitrag zu einer sicheren Mensch-Roboter-Kollaboration leisten, bei der Mensch und Roboter gleichzeitig am selben Werkstück arbeiten.

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Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.de.

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