Sehr sensibel

Fertigungsautomation

Sensoren - Mensch und Roboter sollen Hand in Hand arbeiten. Es gibt viele Ansätze, diesen Plan in Zukunft erfolgreich umzusetzen. Sehr hilfreich wäre es zum Beispiel, wenn ein Roboter Menschen zuverlässig erkennen kann – etwa über eine empfindliche Haut ...

11. Dezember 2015

Es drohe die menschenleere Fabrik, prophezeiten Zukunftsforscher in der Anfangszeit der Roboter. Denn die stählernen Gesellen könnten die Aufgaben in der Produktion schneller, effizienter und preisgünstiger erledigen und den Menschen in der Fabrikhalle kurzerhand ersetzen.

Das wird nicht geschehen, denn der Roboter kann zwar monotone Arbeiten stundenlang ausüben, aber vor allem in individualisierten Kleinserien, die in Zeiten von Industrie 4.0 immer wichtiger werden, gilt es, die Umgebung bewusst wahrzunehmen und flexibel auf Änderungen zu reagieren.

Die Zukunft liegt in der Teamarbeit. Sowohl Mensch als auch Roboter sollen ihre besonderen Fähigkeiten einbringen und gemeinsam in der Produktion arbeiten. Der Roboter trägt ein schweres Werkstück und der Mensch mit seinem Know-how führt ihn an die richtige Stelle. Vor allem ältere Mitarbeiter werden so entlastet.

Leider treten bei einer solchen Teamarbeit konträre Anforderungen auf, denn der Betreiber ist daran interessiert, so viele Produkte wie möglich herzustellen, andererseits muss der Mitarbeiter sicher sein. Darum sollte kein Arbeitsschritt ohne Risikoanalyse erfolgen, Geschwindigkeit und Grenzen müssen festgelegt werden.

Sensoren für Sensibilität

Grundlage einer solchen Abschätzung sind Sensoren, die genau auf die Anforderungen zugeschnitten sein müssen. Ein Ansatz sind die druck- und näherungssensitiven Sensorsysteme, die die Forscher am Fraunhofer IFF in Magdeburg geschaffen haben. Sie bringen diese in Form einer Sensorhaut auf die Roboteroberfläche auf. Nähert sich jemand, spürt der Roboter dies über die Sensorhaut und bremst so weit ab, dass er den Menschen bei einem Zusammenstoß nicht verletzt. Auch Berührungen nimmt er wahr und weicht dementsprechend aus.

Außerdem verleiht das aufgebrachte Sensorsystem dem harten Stahl des Roboters eine weiche Oberfläche, quasi eine Art Knautschzone. Der Roboter kann dadurch schneller arbeiten und die gewünschten kurzen Taktzeiten realisieren. Nur dann, wenn ein Mensch in seinen Bereich kommt, bremst er ab.

Einen Prototyp dieser Sensorhaut haben die Forscher im Auftrag von BMW für einen ABB-Roboter entwickelt. Mit diesem Prototyp wollen die Autobauer Möglichkeiten und Grenzen der Technik austesten und Vorlaufforschung betreiben. Sie möchten untersuchen, was ein auf diese Weise aufgerüsteter Roboter kann und in welchem Bereich der Produktion man ihn bestmöglich einsetzen könnte.

Wie die menschliche Haut besteht auch die Sensorhaut aus mehreren Schichten. Berührungen werden über einen patentierten, matrixförmigen Sensorverbund mit einer Vielzahl von Einzelsensoren erfasst. Wirkt eine Kraft auf einen der Einzelsensoren, so ändert dieser seinen elektrischen Widerstand. Ein mit der Sensorhaut ausgestatteter Roboter spürt daher nicht nur, dass er angefasst wird, sondern auch wo und wie fest.

Zusätzlich haben die Magdeburger Experten in die Sensorhaut kapazitive Sensorelemente integriert. Diese bilden in ihrer Umgebung ein elektrisches Feld aus. Nähert sich ein Mensch, ändert sich dieses Feld. Diese Änderung kann der Roboter messen und diesen in seiner Umgebung erfassen. Da die Forscher auch hier ein ganzes Sensornetzwerk implementiert haben, spürt der Roboter nicht nur, dass sich jemand nähert, sondern auch aus welcher Richtung.

Die grundlegende Entwicklungsleistung bei der Integration der unterschiedlichen Sensorfunktionen in eine kompakte universell adaptierbare Roboterhaut besteht vor allem im komplexen Zusammenspiel der einzelnen Sensorsysteme. Es ist auf jeden Fall zu vermeiden, dass sich die zur Annäherungsdetektion genutzten kapazitiven Sensorelemente und die Drucksensoren gegenseitig beeinflussen.

Zudem ist eine hohe Reichweite der Näherungssensorik gewünscht. Das elektrische Feld der kapazitiven Sensorelemente soll daher möglichst weitreichend und gerichtet aus der Roboteroberfläche austreten.

Darüber hinaus gilt es, die Sensorik auf die komplexe Geometrie des Roboters aufzubringen und dort mit Strom zu versorgen. Dafür haben sich Sensorschalen bewährt, die an die Geometrie des Roboters angepasst werden. Sie ermöglichen zudem eine einfache Wartung und auch den Austausch defekter Sensoren. Die Sensoren, die sich in der Sensorhaut verbergen, sind robust und haben eine lange Lebensdauer. Funktioniert doch mal einer nicht, so wird der Defekt durch integrierte Überwachungsmechanismen erkannt, und das System gibt eine Warnung aus. Der Endnutzer kann nun selbst tätig werden und die defekte Sensorschale mit wenigen Handgriffen auswechseln – ohne tagelang auf einen Servicetechniker warten zu müssen.

Das Anwendungsspektrum der patentierten Sensortechnologie aus dem Fraunhofer IFF ist groß. Die Industrie hat Interesse an einer Umsetzung zum Produkt. Dabei sind die möglichen Einsatzfelder nicht allein auf die Robotik begrenzt. So lässt sich das Sensorsystem beispielsweise im Fußboden integrieren, um Personen zu lokalisieren und Bewegungen zu verfolgen.

Die Sensoren könnten auch an den Greifern der Roboter angebracht werden und ihnen somit einen Tastsinn verleihen. Dann würden die Roboter spüren, wie sie ein bestimmtes Objekt gegriffen haben und ob es beispielsweise rutscht. Drucksensitive Oberflächen auf Robotern könnten auch eine neue Art der Interaktion ermöglichen: Berührt der Mitarbeiter den Roboter an einer bestimmten Stelle, so registriert dieser, dass es sich hier nicht um eine zufällige Kollision handelt, sondern um eine gezielte Eingabe und öffnet oder schließt seinen Greifer.

Erschienen in Ausgabe: 09/2015