Gefühlvolle Roboter: Tastsinn per Sensorik

Roboter sind ein fester Bestandteil von Fabriken der Zukunft. In der Autoproduktion sind sie bereits heute nicht mehr wegzudenken. In Deutschland kommen dort auf 10.000 Arbeitnehmer etwa 300 Roboter – und es werden künftig noch mehr. Die Einsatzmöglichkeiten und die Funktionsweisen haben sich bereits in den letzten Jahren in kürzester Zeit verändert. Nach Schätzung von Experten werden bis 2019 etwa 1,4 Millionen Industrieroboter weltweit zusätzlich eingesetzt. Den Großteil davon werden Cobots ausmachen. So werden kollaborative Roboter genannt, die problemlos, ohne Schutzzäune oder ähnliches mit dem Menschen zusammenarbeiten. Wie werden Roboter intelligent, um flexibel agieren und sicher mit dem Menschen interagieren zu können?

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 – oder im Umfeld eines Menschen arbeiten. Intelligente Roboter benötigen dazu Sensoren, die ihnen Informationen über ihr Umfeld vermitteln. Roboter nehmen etwa mit Hilfe von 2D- oder 3D-Kameras und Laserscannern ihr Umfeld optisch wahr. Doch diese optischen 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 können.

Magnetostriktion: Zuverlässig selbst in Hohlwellen

Einen Tastsinn erhalten Roboter über Drehmoment- und Kraftsensoren. Damit erledigen die Maschinen Arbeitsaufträge „gefühlvoll“. In den Roboterarmen werden drehmomentführende Wellen, Achsen und Gelenke mit Sensoren ausgestattet. Die Drehmomentsensoren erfassen präzises 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.

Für die Messungen eigenen sich bei Robotern in erster Linie die Motorgetriebe, die sich in den Gelenken befinden. Je nach Anzahl der Freiheitsgrade des Roboters können dies bis zu sechs sein. Getriebetechnologien müssen vor allem kompakt, leicht, präzise und über die gesamte Lebensdauer spielfrei sein. Die gleichen Anforderungen gelten auch für die Sensoren zur Messung in den Gelenken.

NCTE nutzt für ihre Sensorik ihre eigens entwickelte Technologie der elastischen Magnetostriktion: Durch Magnetisierung lässt sich Metall zum „Sender“ eines Sensors machen. Ein „Empfänger“ erfasst berührungsfrei Magnetfeld-Änderungen und wertet diese aus. Ein Eingriff in das Originaldesign des Kunden ist nicht nötig. Selbst Hohlwellen zur Innenmessung mit Bohrungsdurchmessern ab 6 mm mit innenliegenden leistungsführenden Kabeln können zu Primärsensoren magnetisiert werden. Die Vorteile der Hohlwellenkonstruktion für die Robotik liegen auf der Hand. Sie ermöglicht einerseits die Durchführung von Versorgungsleitungen für den Antriebsmotor der nächsten Achse, andererseits können Steuer-, Sensor- und Pneumatikleitungen für den Greifer oder andere Manipulatoren im Inneren der Achse durchgeführt werden. Dies minimiert die Gefahr, dass sich die gebündelten Leitungen bei sehr komplexen Bewegungsabläufen um die vorderen Roboterachsen wickeln. Zudem bedeutet dies eine erhebliche Erweiterung der Bewegungsfreiheit des Roboters.

Nahe der Achse erfassen hochauflösende Miniatursensoren kleinste Magnetfeldänderungen. Entscheidender Vorteil der magnetischen Technologie ist die Robustheit, vor allem in rauen Industrie-Umgebungen. Optische Laserscanner können etwa Probleme mit Staub und Dreck bekommen. Dehnmessstreifen kämpfen bei starken Temperaturwechseln etwa mit Kondenswasserbildung. 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. Diese Daten werden direkt und automatisiert zur optimalen Steuerung und Regelung des Roboters genutzt.

Die Sensorlösungen können 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 etwa sein muss, hängt vom jeweiligen Einsatzgebiet der Roboter ab. Für Regelungen werden Sensoren mit einer sehr hohen Präzision zwischen 0,1 und 0,05 Prozent FS verwendet.

So greifen Cobots sicher und handzahm

Wenn Roboter direkt mit Menschen zusammenarbeiten, steht die Sicherheit an erster Stelle. So können etwa Schwerlast-Roboter in der Fertigung Menschen sehr gefährlich werden. Sie sind mühelos in der Lage, 200 kg schwere Bauteile zu heben, schnell herumzuschwenken oder sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu zwei Metern pro Sekunde zu bewegen. Um jede Gefahr für die Mitarbeiter auszuschließen, erledigen die stählernen Kollegen ihre Aufgaben bisher oft abgetrennt in eigenen Bereichen. Wesentlich effizienter ist die Zusammenarbeit Mensch-Roboter ohne räumliche Trennung und Schutzzaun. So sehen etwa Autohersteller vor allem in der Montage ein großes Potenzial für den Einsatz. Auch hier kommen intelligente Drehmomentsensoren ins Spiel.

Berührt ein Cobot etwa einen im Umfeld stehenden Menschen, erfassen die Sensoren die Veränderung des Drehmoments und stoppen sie sofort ab. Das funktioniert zuverlässig selbst bei kleinsten Berührungen. Um die funktionale Sicherheit bei kollaborativen Robotern zu gewährleisten, hat die ISO-Arbeitsgruppe die auf klassische Industrieroboter ausgerichtete Norm für Cobots erweitert. Zusätzlich hat sie im Februar 2016 die ISO Technical Specification ISO/TS 15066 veröffentlicht. Die Richtlinie benennt Sicherheitsanforderungen für das Zusammenwirken von Mensch und Roboter. Je intensiver Mensch und Maschine zusammenarbeiten, desto höher ist die Stufe und desto strenger die Sicherheitsregeln. Grundsätzlich sind auch Roboterwerkzeuge, wie zum Beispiel Greifer, Bestandteil des Robotersystems. In der Praxis wird dabei oft übersehen, dass die Steuerungsanforderungen auch für das Werkzeug gelten. Kommt etwa eine zusätzliche Sensorik am Greifarm zum Einsatz, unterliegt sie denselben Anforderungen.

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 werden diese Sinne beisammen halten.

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