Berührungsfreie Drehmomentsensoren für intelligente Cobots
Geht es um smarte Trends für Industrie und Produktion, fällt aktuell schnell der Begriff Cobot. So werden kollaborative Roboter genannt, die problemlos, ohne Schutzzäune oder ähnliches mit dem Menschen zusammenarbeiten. Wie erhalten Cobots einen Tastsinn, um flexibel agieren und sicher mit dem Menschen interagieren zu können?
Ein Roboter ist intelligent, wenn er seine Umgebung wahrnimmt und auf sie reagiert, um komplexe Aufgaben auszuführen. Intelligente Roboter benötigen dafür Sensoren, die ihnen Informationen über ihr Umfeld vermitteln. Mit Hilfe von 3D-Kameras und Laserscannern nehmen sie etwa ihr Umfeld optisch wahr. Doch optische Systeme können durch ungünstige Lichtverhältnisse oder Staub beeinträchtigt werden. 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.
Mit Drehmomentsensoren ausgestattet arbeiten Mensch und Roboter sicher zusammen. Der Cobot stoppt bei jeder Berührung sofort ab.
Magnetostriktion: Zuverlässig selbst in Hohlwellen
Einen Tastsinn erhalten Roboter über Drehmoment- und Kraftsensoren. Berührungsfreie Drehmomentsensoren eröffnen hier völlig neue Anwendungen. NCTE nutzt für seine Sensorik eine eigens entwickelte Technologie der elastischen Magnetostriktion. Diese beruht darauf, dass sich das Magnetfeld eines Gegenstands durch einwirkende mechanische Kräfte ändert. In E-Mobilität, Agrartechnik und Industrie 4.0 helfen die Sensorlösungen auf einfache Weise und in Echtzeit Daten zu sammeln.
Magnetostriktive Sensoren messen Kräfte auf einer Welle berührungslos, verschleißfrei, ohne Kondenswasserbildung und in rauen Industrie-Umgebungen.
In der Robotik magnetisiert NCTE in einem patentierten Verfahren die bestehende Welle in den Gelenken. Sie wird zum „Sender“. Ein frei gestaltbarer Mini-Sensor erfasst kontaktlos, selbst mehrere Millimeter von der Welle entfernt, die Veränderungen im Magnetfeld und wertet diese aus. Ein weiterer Eingriff in das Originaldesign des Gelenks ist nicht nötig – es bleibt leicht und kompakt.
Mit diesem Verfahren lassen sich selbst Hohlwellen mit Bohrungsdurchmessern ab 6 mm mit innenliegenden leistungsführenden Kabeln zu Primärsensoren magnetisieren. Das ermöglicht es, Versorgungsleitungen für den Antriebsmotor der nächsten Achse oder Steuer-, Sensor- und Pneumatikleitungen für den Greifer im Inneren der Achse durchzuführen. Der Roboter wird von Kabel-Fesseln befreit und kann sich erheblich besser bewegen.
Der entscheidende Vorteil der magnetischen Technologie ist die kontaktfreie Drehmomentmessung. Das macht den Sensor äußerst robust, vor allem in rauen Industrie-Umgebungen. Optische Laserscanner können Probleme durch Streulicht, Staub oder Dreck bekommen. Dehnmessstreifen kämpfen bei starken Temperatur- und Lastwechseln mit Langzeitstabilität. Der Betrieb der magnetischen NCTE-Technologie ist im Gegensatz zu Dehnmessstreifen völlig verschleißfrei. Das erzeugte Magnetfeld ist langzeitstabil und unempfindlich gegen externe Einflüsse wie Vibrationen sowie hohe Umdrehungszahlen und Temperaturen.
NCTE nutzt für ihre berührungsfreie Sensorik eine eigens entwickelte Technologie der elastischen Magnetostriktion. Hier in der CAD-Simulation: Eine Kraft auf der Welle ändert die Gitterstruktur der eingebrachten Magnetisierung.
Damit die Maschinen Arbeitsaufträge „gefühlvoll“ erledigen, werden in den Roboterarmen drehmomentführende Wellen, Achsen und Gelenke mit Sensoren ausgestattet. Hier realisiert NCTE gemeinsam mit den Partnern optimierte Geometrien für die jeweilige Robotik-Anwendung. Die Drehmomentsensoren erfassen präzise jegliche Veränderung von Kräften, mit Abtastraten von über 10 kHz. Die Daten liefern die Sensoren in Echtzeit an die Kundenschnittstelle aus, was eine hohe Dynamik der Roboterbewegungen ermöglicht.
Die Sensorlösungen können auch Drehmomentmessung und parallele Biegungsmessung in zwei Achsen in einem einzigen Sensor vereinen. Hierfür werden mehrere Miniatursekundärsensoren kombiniert. Sie erheben unterschiedliche Leistungsdaten gleichzeitig, z.B. Drehmoment, Scherung und Biegung. Dies bringt insbesondere in Anwendungen mit komplexen Bewegungsabläufen und unberechenbaren Vorkommnissen Vorteile. Besonders wichtig: Die ständige Kraftrückmeldung ermöglicht ein Lernen des Roboters. An jeder Position werden die Koordinaten und Rahmenmessgrößen des Arbeitszyklus gespeichert. Über die Kraftmessung lernt der Roboter, welche Drehmomente und Kräfte im jeweiligen Arbeitsschritt einzuhalten sind.
Wie hoch die Genauigkeit der eingesetzten Drehmomentsensoren sein muss, hängt vom jeweiligen Einsatzgebiet der Roboter ab. Für Regelungen werden Sensoren mit einer sehr hohen Präzision sowohl bei kleinsten als auch bei größeren Kräften verwendet.
So greifen Cobots sicher und handzahm
Kollaborierende Roboter werden nur unter Beachtung strenger Sicherheitsvorschriften in direkter Nähe ihrer menschlichen Kollegen eingesetzt. Diese Sicherheit bringt die Sensorik. Berührt ein mit Drehmomentsensoren ausgestatteter Cobot einen im Umfeld stehenden Menschen, stoppt dieser sofort ab. Das funktioniert zuverlässig selbst bei kleinsten Berührungen.
Neben der Sicherheit liegt ein zentraler Aspekt bei Robotern auf der Präzision und Wiederholbarkeit ihrer Arbeitsschritte. Etwa wenn Komponenten, die bislang nicht in Bestückungsautomaten, sondern von Hand verbaut wurden, wie zum Beispiel elektronische Bauteile für die Automobilindustrie oder Smartphonegehäuse, wiederholgenau mit höchster Präzision montiert werden sollen. Oder wenn Roboter Touchscreens testen, und diese nur mit minimalem Kraftaufwand bedienen dürfen.
Bisher werden diese intelligenten Roboter vor allem in der Industrie eingesetzt. Doch auch in der Landwirtschaft, in der Medizin oder im Einzelhandel machen smarte Roboter mittlerweile Karriere. Sie werden zunehmend in unseren Alltag einziehen. Im Pflegesektor sollen Roboter in Zukunft auch menschliche Aufgaben übernehmen. Sie brauchen neben Augen und Ohren auch das notwendige Tastgefühl. Intelligente Sensoren halten die Sinne zusammen.