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.

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 nicht selten durch ungünstige Lichtverhältnisse oder verdeckende Objekte beeinträchtigt.

Vor diesem Hintergrund haben Forscher am Institut für Anthropomatik und Robotik (IAR) – Intelligente Prozessautomation und Robotik (IPR) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) Sensoren entwickelt, welche die etablierten optischen Systeme ergänzen. 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‘ – kurz TNS – beide Funktionen: Sie erfassen sowohl Bewegungen als auch Berührungen – bei Bedarf zudem 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, etwa aus Schaumstoff. Die oberste Schicht ist aus mehreren geometrischen, regelmäßig angeordneten Deckelelektroden zusammengesetzt. Je nach Anwendung sind Zahl und Form der Deckelelektroden variierbar. Die steuernde Elektronik kann räumlich getrennt von den Sensormodulen verbaut werden.

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

Professor Björn Hein: „Ich stelle mir vor, dass Roboter zukünftig feinfühlig und intelligent auf die Anwesenheit von Menschen reagieren.“

© KIT

„Die Deckelelektroden lassen sich beliebig zusammenfassen“, erklärt Professor Björn Hein, Leiter der Gruppe Intelligente Industrieroboter (IIROB) am IAR-IPR des KIT. „So kann je nach Situation ein passender Kompromiss zwischen der Reichweite und der Ortsauflösung des Sensors gefunden werden.“ Die Sensormodule selbst lassen sich zu Sensorflächen in unterschiedlichen Größen vernetzen – von kleinen Flächen an Greifern bis hin zur großflächigen Roboterhaut.

Unter anderem sollen die kapazitiven taktilen Näherungssensoren dazu beitragen, die Sicherheit der Mensch-Maschine-Interaktion zu verbessern indem sie herankommende Menschen detektieren und lokalisieren sowie Warnsignale erzeugen, sobald vordefinierte Sicherheitsabstände unterschritten werden. Daraufhin wird die Geschwindigkeit der Aufgabenausführung reduziert oder sogar der Roboter angehalten.