Sensorische ‚Aura‘ für Roboter

‚Fitness‘ (Flexible Intelligent Near-field Sensing Skins) ist ein von der Europäischen Union finanziertes Projekt, das zu einer verbesserten Interaktion zwischen Mensch und Roboter beitragen soll. Mögliche Anwendungen werden beispielsweise im Bereich der Produktion, im zukünftigen Gesundheitswesen und für die Robotik im Katastrophenschutz gesehen. Mit der zunehmenden Integration von Robotern in diese Sektoren wächst kontinuierlich auch der Bedarf an verbesserter Sicherheit, intuitiver Kommunikation und der Fähigkeit, menschliche Absichten zu erkennen.

Das Projekt geht auf diese Bedürfnisse ein, indem eine anpassungsfähige, dünne intelligente Haut entwickelt wird, die nur wenige Millimeter dick ist und Roboter mit fortschritt-lichen Nah- und Fernerkennungsfähigkeiten ausstattet. Diese Haut basiert auf sogenannten Meta-Surfaces – speziell entworfen für den Bereich der Millimeterwellen –, in die fortschrittliche Elektronik integriert ist, um eine sensorische ‚Aura‘ um einen Roboter zu schaffen. Durch die Manipulation reaktiver elektromagnetischer Felder kann die Haut die Umgebung im Nahfeld mit einer Genauigkeit von bis zu 1 cm wahrnehmen.

Das Projekt-Konsortium vereint das Fachwissen von sieben Partnern aus den Bereichen elektromagnetischer Wellen, Materialien, Elektronik, Sensorik, Robotik, Chemie und Kommunikation. Über einen Zeitraum von 48 Monaten und verteilt auf vier Länder vereint das Projekt Hochschulen, Forschungseinrichtungen und ein Hightech-KMU mit einem gemeinsamen Ziel: der Implementierung von Nahfeldsensorik und Fernfeldkommunikation in einer einzigen, integrierten Technologie. Die langfristige Vision des Projekts ist, den Tastsinn von Robotern neu zu definieren und es Maschinen zu ermöglichen, auf eine menschenähnlichere und energieeffizientere Weise mit ihrer Umgebung zu interagieren.

Was ist eine intelligente Sensorhaut?

Links: Meta-Surface mit Einspeisungspunkten (dünne rote Segmente). Die Flussrichtung der Millimeterwellen ist durch Pfeile (blau: eingehend, rot austretend) dargestellt. Die leitungsgeführten Wellen werden durch eine spezielle Musterung in Oberflächenwellen (SW) und Leckwellen (LW) umgewandelt, wodurch eine räumliche Abtastung ermöglicht wird. Rechts: Berührungslose Streuung der oberflächengebunden Wellen durch eine Hand. Dadurch wird eine detektierbare Änderung der austretenden Wellen (kleinere rote Pfeile) verursacht. © Fraunhofer

Innerhalb von ‚Fitness‘ konzentrieren sich die Projekteilnehmer auf die Entwicklung einer neuartigen, intelligenten Sensorhaut, die maßgeblich auf dem Prinzip einer Meta-Surface basiert. Meta-Surfaces bestehen aus synthetischen, flächig ausgeführten Materialien, die elektromagnetische Wellen auf vielfältige Weise manipulieren können. Diese Oberflächen sollen herkömmliche Gruppenantennen ablösen, die zwar in ihrer Wirkung effektiv, aber aufgrund der benötigten Anzahl eng beieinander liegender, aktiver Elemente oft sperrig, stromhungrig und in den Herstellungskosten hoch sind. In Industrieanwendungen werden klassische Gruppenantennen aufgrund dieser Nachteile heutzutage nur selten eingesetzt.

Um diese Hindernisse zu überwinden, wird die ‚Fitness‘-Sensorhaut mit Schlüsseleigenschaften entwickelt, die sie insbesondere für Anwendungen in der Robotik effektiv machen. Ein wichtiger Aspekt ist hierbei die Möglichkeit der Krümmung der Sensorhäute, sodass sich diese nahtlos an die Form eines Roboters anpassen können und zugleich eine vollständige sensorische Abdeckung gewährleisten. Dafür kommen flexible beziehungsweise dehnbare Substrate zum Einsatz, die eine Verformung ermöglichen, ohne dabei eine Degradierung der Leistung zu verursachen. Eine spezielle Musterung der passiven Sensorhaut und eine optimierte sowie direkt integrierte Elektronik ermöglichen eine ganzheitliche Sensorlösung, die mit einer minimalen Anzahl aktiver Elemente auskommt. Letzteres führt zu einer signifikanten Verringerung von Komplexität und Kosten.

Die wichtigsten Bestandteile der Sensorhaut

• Meta-Surfaces: Die Oberflächen bestehen aus einer Reihe verteilter, metallischer Elemente, die spezifische Oberflächenimpedanzen im elektromagnetischen Sinne realisieren und so eine kontrollierte Anregung und Ausbreitung von Oberflächenwellen ermöglichen.
• Verringerte Anzahl aktiver Elemente: Die passive Sensorhaut wird von einer geringen Anzahl von Quellpunkten oder ‚Ports‘ gespeist, wodurch die Menge der erforderlichen Elektronik in der aktiven Hautschicht erheblich reduziert wird.
• Integrierte Elektronik: Die aktive Lage der Sensorhaut enthält eine performante Elektronik, um die elektromagnetische Umgebung im Nahfeld zu erkennen und eine Anpassung in Echtzeit zu gewährleisten.

Das Funktionsprinzip

Sensorhaut auf einem Roboter (links), Ausschnitt der strukturkonformen, mehrschichtigen Haut (Mitte) und Integrationslayout (rechts). © Fraunhofer

Die Sensorhaut verzichtet auf das herkömmliche Konzept der Gruppeantennen, die aus einer hohen Anzahl von diskreten Antennenelementen besteht. Stattdessen verfügt sie über ein strukturiertes Meta-Surface, auf dem die Strahlungsströme großflächig über ein spezielles Muster von Metallelementen fließen. Die Oberfläche besteht dabei – neben den metallischen Anteilen – aus einem flexiblen beziehungsweise dehnbaren Substrat. Dieses Substrat passt sich der Form des Roboters an und wird so nahtlos zu einem Teil seines Äußeren. Die Sensorhaut arbeitet im Mikrowellenfrequenzband und funktioniert sowohl im Nah- als auch im Fernfeld. Sie bietet hochauflösende Erfassungsmöglichkeiten und ermöglicht robuste Kommunikationsverbindungen.

Die Fähigkeit der Haut, auch reaktive Felder zu manipulieren, ermöglicht einen schnellen Wechsel zwischen Nah- und Fernfeldfunktionalität. Die integrierte Elektronik schätzt laufend die Wellenausbreitung und die Impedanz über der Oberfläche, auf welcher sogenannte Leckwellen entstehen, und passt sich so an Veränderungen in der elektromagnetischen Umgebung an.

Weitere Vorteile des Ansatzes

• Die Sensorhaut bietet eine zentimetergenaue Nahfeldwahrnehmung, die es Robotern ermöglicht, Objekte und menschliche Gesten in ihrer unmittelbaren Umgebung zu erkennen.
• Neben der Umgebungswahrnehmung wird gleichzeitig eine Fernfeldkommunikation für einen effizienten, drahtlosen Datenaustausch mit Basisstationen oder anderen Geräten ermöglicht.
• Die Haut ermöglicht im Fernfeld eine Strahlformung ohne konventionelle und teure Phased Array-Technologie. Dadurch wird eine kostengünstige Fokussierung elektromagnetischer Strahlen auf bestimmte Ziele ermöglicht, wobei weniger aktive Komponenten benötigt werden.
• Die aus flexiblen und dehnbaren Materialien hergestellte Haut passt sich an verschiedene Robotergeometrien an und behält ihre Leistung auch dann bei, wenn sie gebogen oder verformt wird.
• Durch die Verringerung der Anzahl aktiver Elemente und die Nutzung der Oberflächenwellenausbreitung arbeitet die Sensorhaut mit geringerem Stromverbrauch und erzeugt dabei eine verringerte Wärmeabgabe.

Das flexible Design der ‚Fitness‘-Haut eignet sich sowohl zur Nachrüstung bestehender Robotersysteme als auch zur Integration in neue Designs. Die spezielle Architektur reduziert die Komplexität der Implementierung. Zudem sorgt die geometrische Konformität für nur minimale Auswirkungen auf den Formfaktor des Roboters. Das Back-End in der innenliegenden, aktiven Lage der Sensorhaut speist das Meta-Surface und beinhaltet die gesamte, notwendige Elektronik in einer kompakten Form. Zukünftige Entwicklungen zielen auf eine Fähigkeit zur Selbstkalibration ab. Dazu soll die Haut ihre eigene Krümmung erkennen und den Signalempfang entsprechend anpassen können.

Die Ziele

Andrej Konforta ist Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR.

Der ‚Fitness‘-Smart-Skin-Ansatz soll eine vielseitige und skalierbare Lösung für Roboteranwendungen der nächsten Generation zum Einsatz in verschiedenen Branchen ermöglichen. Die konkreten Ziele, an deren Erfüllung die Projektteilnehmer momentan arbeiten, sind beispielsweise:

• Verbesserte Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter: Ausgestattet mit einer flexiblen und dehnbaren Sensorhaut, die Objekte im Umkreis von 1 m erkennen soll, verbessert sich die Fähigkeit des Roboters zur Kollisionsvorhersage und –vermeidung. Ausfallzeiten werden reduziert und die Produktivität erhöht. Zudem wird eine verbesserte Bestimmung der Position von Objekten ermöglicht, was Aufgaben wie das filigrane Greifen von Objekten ermöglicht und eine bessere Zusammenarbeit zwischen Menschen und Robotern sowie zwischen Robotern untereinander begünstigt.
• Verbesserte Einschätzung der Ego-Motion unter schwierigen Bedingungen: Die intelligente Haut soll die Fähigkeit eines Roboters verbessern, in komplexen und dynamischen Umgebungen zu navigieren. Durch die genaue Erfassung des Nahbereichs verbessert sie die Erkennung und Verfolgung von Objekten und erleichtert eine akkurate Abschätzung der Ego-Motion. Dies führt zu einem selbständigeren und effizienteren Betrieb in Anwendungen wie etwa autonomen Fahrzeugen für Such- und Rettungseinsätze, in der Aufklärung sowie in der Robotik für Weltraumanwendungen.
• Fortschritte bei der Mensch-Maschine-Interaktion: Im Falle der Integration einer Sensorhaut etwa in Handschuhe soll sie eine genaue Gestenerkennung zulassen. Dadurch könnten auch neue Möglichkeiten im Bereich der virtuellen Realität eröffnet werden. Insbesondere soll die Erkennung und Verfolgung menschlicher Haltungen ermöglicht werden, wodurch eine menschliche Steuerung von Robotern verbessert, die Effizienz erhöht und die Lernkurve für die Bediener verkürzt werden soll.

Christophe Craeye arbeitet an der Université catholique de Louvain, Institute of Information and Communication Technologies, Electronics and Applied Mathematics (ICTM).

In Industrieautomatisierung, Fertigung und Logistik soll die Roboterhaut die Sicherheit und Effizienz erhöhen, indem sie es Robotern ermöglicht, menschliche Handlungen laufend und besser als bisher möglich zu erkennen beziehungsweise darauf zu reagieren. Dies könnte dazu führen, dass der Bedarf an Arbeitsflächen für aktive Roboter verringert wird. Zeitgleich sollen Anomalien im Roboterbetrieb, wie etwa ein Encoder-Drift in Roboterarmgelenken, erkannt werden, um reibungslose und zuverlässige Fertigungsprozesse zu gewährleisten.

Vergleich mit bestehenden Technologien

Sidina Wane arbeitet bei eV Technologies in Colombelles.

Um die Vorteile der intelligenten Haut von ‚Fitness‘ besser einordnen zu können, folgt ein Vergleich mit bestehenden Lösungen, die beispielsweise auf piezoelektrischen oder kapazitiven Technologien basieren. Piezoelektrische Häute erfordern physischen Kontakt, damit Druck oder Berührung erkannt werden können. Dadurch wird jedoch die Fähigkeit zur Kollisionsvermeidung stark eingeschränkt. Kapazitive Näherungssensoren hingegen haben in der Regel eine Reichweite von bis zu 20 cm – um innerhalb dynamischer Szenarien auf Menschen frühzeitig reagieren zu können, genügt dies unter Umständen aber nicht.

Der Smart-Skin-Ansatz hingegen bietet folgende Merkmale:

Luka Petrovic arbeitet an der University of Zagreb, Faculty of Electrical Engineering and Computing (FER).

• Die Erkennung von Objekten ist innerhalb einer Entfernung von 1 m möglich; dies übertrifft die Reichweitenbeschränkungen kapazitiver Sensoren.
• Die berührungslose Erkennung erhöht die Sicherheit und den Komfort des Menschen, indem Bewegungen im Voraus erkannt werden und eine vorausschauende Bewegungsplanung des Roboters ermöglicht wird. Dies verringert das Risiko von Kollisionen.
• Der kontinuierliche Betrieb ermöglicht es, Menschen und statische Objekte permanent zu erkennen, was einen ununterbrochenen Betrieb gewährleistet und den Platzbedarf von Arbeitsflächen reduziert.
• Der Smart-Skin-Ansatz verbessert die Erkennung insbesondere von kleinen Objekten und eröffnet damit Möglichkeiten für Anwendungsfälle, die eine hohe Präzision erfordern.

Durch die Überwindung der Grenzen aktueller Technologien verbessert der in ‚Fitness‘ verfolgte Ansatz die Sicherheit, Effizienz und Vielseitigkeit von Roboteranwendungen. Der Aspekt der simultanen Nahfeldabtastung und -kommunikation soll langfristig eine Bereicherung für den wachsenden Robotik- und Sensormarkt darstellen.