Wie Industrie-Roboter mit Hilfe von Sensoren die Umgebung wahrnehmen

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Dank moderner Sensorik entstehen ausgeklügelte Robotersysteme. Magnetische Positionssensoren sind ein wesentlicher Bestandteil. Auch Umwelt- und Power-Management-Sensoren sind entscheidend, damit auch der Roboter seine Umwelt wahrnimmt.

Die Weiterentwicklung bei Steuerungs- und Kommunikations-ICs spielen eine wichtige Rolle, wenn Roboter der nächsten Generation entwickelt werden. Dabei wären ohne die kleineren, kostengünstigeren und vor allem kompatibler Sensoren hochentwickelte Roboter nicht denkbar. Zu den wichtigsten Sensor-Techniken gehören magnetische Positionssensoren, Präsenz-Sensoren, Gesten-Sensoren, Kraft-/Drehmoment-Sensoren, Umweltsensoren und Power-Management-Sensoren.

Dabei zählen die magnetischen Positionssensoren zu den am weitesten verbreiteten Sensoren in Anwendungen bei Industrie und Konsumerelektronik. Heute verfügt nahezu jedes Gelenk im Roboter über zwei oder mehrere magnetische Positionssensoren. Für jede Drehbewegung oder Gelenkrotation wird mindestens ein magnetischer Positionssensor benötigt. Viele der aktuellen Roboter bewegen ihre Gelenke und Gliedmaßen mithilfe von kleinen, aber leistungsstarken bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC). Um einen exakten Antrieb dieser Motoren zu gewährleisten, werden Rückmeldungen über den aktuellen Drehwinkel benötigt.

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Die Vorteile von magnetischen Positionssensoren

Magnetische Positionssensoren dienen dazu, den momentanen Drehwinkel eines Motors an die Gelenkssteuerung des Roboters zurückzumelden (siehe Bild 2). Anhand der übermittelten Daten wird dann das Gelenk über einen geschlossenen Regelkreis in die gewünschte Stellung gebracht. Bei einem Robotergelenk werden pro Bewegungsachse zwei Positionssensoren benötigt. So verwendet beispielsweise ein Roboter-Fußgelenk, das zu einer axialen Neigungs- und Drehbewegung imstande sein soll, insgesamt vier Positionssensoren. Angesichts der großen Anzahl von Gelenken, die die meisten Roboter besitzen, und der Tatsache, dass für jedes davon mehrere Sensoren benötigt werden, ist es nicht verwunderlich, dass magnetische Positionssensoren in diesem Anwendungsbereich eine so wichtige Rolle spielen.

Die aktuelle Generation von magnetischen Positionssensoren wie die AS5047P und AS5600L von ams bieten für Roboter zahlreiche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Techniken. Insbesondere zeichnen sie sich durch hohe Auflösung und hohe Wiederholgenauigkeit aus. Außerdem werden sie in einem CMOS-Silizium-Prozess gefertigt, sie brauchen dadurch sehr wenig Strom und sind platz- und gewichtssparend, anders als optische Encoder und Resolver. Darüber hinaus eignen sie sich ebenfalls für den Einsatz in rauen Industrie-Umgebungen, wo es extreme Temperaturen oder Schmutz- und Staubbelastungen gibt. Die von ams entwickelten Positionssensoren sind außerdem unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern, die in der Einsatzumgebung von Robotern häufig vorkommen. Ein weiterer Vorteil der Sensoren besteht in ihrer Funktionsweise: Im Gegensatz zu Widerstandspotentiometern, wie sie in Servomotor-Baugruppen für günstige Robotersysteme eingesetzt werden, verwendet man keine beweglichen mechanischen Teile, die zudem noch verschleißen könnten.

Räumliches Sehen und Kollisionen vermeiden

Werden moderne Roboter gebaut, so kommen verschiedene Präsenzsensoren zum Einsatz. Die von diesen Sensoren gelieferten Parameter werden zusammengeführt und für räumliches Sehen, Objekterkennung und Kollisionsvermeidung genutzt. Viele aktuelle Konsumenten- und Service-Roboter verfügen über 2D- und 3D-Vision-Stereokameras. Zunehmend werden auch hochentwickelte Sensor-Techniken wie Signallaufzeit-Sensoren (LiDAR-Sensoren) eingesetzt. LiDAR-Sensoren erfassen mit einer hohen 3D-Auflösung-Visualisierung von Roboter-Arbeitsräumen und -Umgebungen. Dadurch können Roboter ihre Aufgaben besser erfüllen und sich sicherer bewegen (Bild 3). Auch Ultraschallsensoren finden ihre Anwendung in der Präsenzerkennung. Ähnlich wie im Automobil, wo sie als Abstandswarner beim Rückwärtsfahren dienen, werden Ultraschallsensoren in Robotern eingesetzt, um Hindernisse in ihrer näheren Umgebung zu erkennen und Kollisionen mit Wänden, Objekten, anderen Robotern oder Menschen zu vermeiden. Darüber hinaus unterstützen sie den Roboter bei seinen eigentlichen Funktionen. Ultraschallsensoren spielen eine wichtige Rolle bei der Navigation im Nahbereich und bei der Vermeidung von Kollisionen. Damit können sie sowohl die Leistungsfähigkeit als auch Sicherheit von Robotern wesentlich verbessern.

Sensorfusion erlaubt Roboter ihre Umgebung zu erkennen

Ultraschallsensoren haben jedoch eine begrenzte Reichweite von etwa einem Zentimeter bis zu einigen Metern und einen maximalen Richtkegel von etwa 30 Grad. Hinzu kommt, dass sie eine hohe Genauigkeit im Nahbereich bieten, die allerdings mit zunehmender Entfernung und zunehmendem Messwinkel abfällt. Außerdem sind sie anfällig für Temperatur- und Druckschwankungen sowie Störungen durch benachbarte Roboter, die Ultraschallsensoren mit gleicher Arbeitsfrequenz verwenden.

Dennoch liefern sie in Kombination mit anderen Präsenzsensoren zuverlässige Positionsinformationen. Werden die Sensorinformationen zusammen mit 2D/3D-Kamera, LiDAR und Ultraschall gebracht (Sensorfusion), so ist es Robotern möglich, ihre Umgebung räumlich wahrzunehmen: Sie können sich bewegen und kompliziertere Aufgaben ausführen, ohne sich selbst, Menschen oder ihre Umgebung zu gefährden.

Wie Gesten eines Roboters erfasst werden

Gestensensoren erfassen zunehmend auch in High-Tech-Robotern Operator-Befehle. Um Gesten zu erfassen, kommen sowohl optische Sensoren als auch Kontrollarmbandsensoren zum Einsatz, die von einem Roboter-Operator getragen werden. Mit optischen Gestensensoren kann ein Roboter darauf trainiert werden, bestimmte Gesten oder Handbewegungen zu erkennen und entsprechende Aufgaben auszuführen. Solche Gestensensoren eröffnen Menschen mit Behinderungen und eingeschränkten Kommunikationsfähigkeiten völlig neue Möglichkeiten, sei es zu Hause oder im Krankenhaus; auch in der sogenannten intelligenten Fabrik sind den Anwendungsmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt.

Mit Armband-Steuerungssensoren kann ein Operator mit einem Roboter kommunizieren und ihn steuern, um bestimmte Aufgaben zu erfüllen und/oder nachzumachen, je nachdem, wie der Operator seinen Arm bewegt oder damit gestikuliert. Zum Beispiel könnte ein Chirurg, der einen Armbandsensor an jedem Arm trägt, die beiden Arme eines Medizinroboters fernsteuern, um eine Operation durchzuführen, selbst, wenn Roboter und Patient sich nicht im gleichen Raum befinden.

In Robotern werden auch Kraft-/Drehmoment-Sensoren eingesetzt. Mit solchen Sensoren lässt sich die Bewegung der Gliedmaßen überwachen, Hindernisse erkennen und Sicherheitswarnungen an den zentralen Prozessor des Roboters senden. Wenn ein Kraft-/Drehmoment-Sensor in einem Roboterarm eine plötzliche und unerwartete Kraft erkennt, die durch das Aufprallen des Arms auf ein Objekt entsteht, kann seine übergeordnete Sicherheitssoftware veranlassen, dass der Arm stoppt und sich zurückzieht. Kraft-/Drehmomentsensoren werden mit Anwesenheits-, Umwelt- und anderen Sicherheits-Sensoren kombiniert, um eine vollständige Überwachung der Sicherheitszone zu gewährleisten.

Umweltsensoren überwachen die Luftqualität

Verschiedene Umweltsensoren werden in einem Roboter verbaut. So kommen Sensoren zum Einsatz, die anhand von VOC-Analysen (Volatile Organic Compounds) die Luftqualität überwachen. Außerdem Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Drucksensoren und optische Sensoren, um Lichtquellen zu erkennen. Mit Power-Management-Sensoren (Bild 4) wird in einem autonomen Roboter die Betriebszeit zwischen den Ladevorgängen verlängert und sichergestellt, dass der Lithium-Ionen-Akku beim Laden oder Entladen nicht überhitzt.

Power-Management-Sensoren werden auch zur Spannungsregelung und für das Leistungs- und Wärmemanagement von Roboter-Gelenkmotoren eingesetzt. Die gesamte Roboterelektronik (Mikroprozessoren, Sensoren und Aktoren) benötigt rauscharme Stromversorgungen und Regelungen, um eine effektive und ordnungsgemäße Funktionsweise sicherzustellen. Sensoren für das Energiemanagement eines Roboters sind Coulomb-Zähler, die dafür sorgen, dass der Akku entladen und geladen und die Temperatur zuverlässig überwacht wird.

Durch die Integration und Verschmelzung aktueller Sensor-Techniken können Robotersysteme unabhängiger und sicherer arbeiten. Hier unterstützt eine verbesserte Rechenleistung, Software und künstliche Intelligenz, um unterschiedliche Robotik-Anwendungen anzubieten.

Fühlende Maschine – Roboter in der Industrie mit eingebautem Tastsinn

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* Mark J. Donovan ist Senior Product Marketing Manager im Geschäftsbereich Position Sensors Business bei ams.

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