Überwachung flexibler Objekte Positionsbewusster Formsensor

Der Formsensor erkennt seine Position und Lageausprägung im Raum und überträgt die in seinem Inneren gemessenen Werte auf ein virtuelles 3D-Modell.
Der Formsensor erkennt seine Position und Lageausprägung im Raum und überträgt die in seinem Inneren gemessenen Werte auf ein virtuelles 3D-Modell.

Positionsbewusste Materialien sind die Spezialität von Teichert Systemtechnik (TST). Neueste Entwicklung des Teams ist ein so genannter Formsensor, der auf einfache Weise die Position und räumliche Lageausprägung flexibler Objekte wie etwa Kabel und Schläuche in der Robotik überwacht.

Äußerlich ähnelt der Formsensor einem normalen Kabel. Im Inneren des Sensors jedoch werden sämtliche Kabelverbiegungen mittels optischer Messverfahren ausgewertet und an einen angeschlossenen Computer weitergeleitet. Dieser erstellt ein virtuelles, dreidimensionales Modell des Kabels und berechnet die sich daraus ergebenden Raumkoordinaten. Somit ist über die komplette Sensorlänge nicht nur die Positionsbestimmung der Kabelendposition möglich, sondern auch eine Modellierung der gesamten Form. Klassifikationen für kritische Bereiche, Formen oder Geschwindigkeiten sind zusätzlich realisierbar.

Das Prinzip dahinter: Biegungen erzeugen im äußeren Bereich des Kabels Stauchungen und Dehnungen. In diesem Bereich liegt eine helikal gewickelte Leiterfolie, die in Längsrichtung des Kabels starr ist. Die Dehnungen und Stauchun­gen bewirken Abstandsänderungen der Leiterfolien­windungen, diese Abstandsänderungen wer­den optisch erfasst. Dabei ergeben sich gegenüber Systemen mit optischen Markern keine Probleme mit Verdeckungen.

Aktuell ist der Sensor mit verschiedenen Flexibilitäten realisierbar, wobei sich in axialer Richtung unterschiedliche Messauflösungen ergeben. Für die aktuelle Standardrealisierung beträgt der axiale Messabstand 4,7 mm bei einem minimalen Biegeradius von 10 cm. Das Sensorsystem hat einen Durchmesser von 9,6 mm und ist mit verschiedenen Mänteln bestückt erhältlich. Mit einem Polyamid-Wellrohr beträgt der Außendurchmesser 13,3 mm bei einem Gesamtgewicht von 180 g/m. Mit einem robusten Metallmantel aus einem Agraffprofil und innerem Stahlgeflecht lässt sich eine mechanische Biegeradiusbegrenzung realisieren - der Außendurchmesser beträgt dann 14,3 mm bei einem Gesamtgewicht von ca. 400 g/m. Der Sensor kann mit einer Kernfüllung von 5 mm Durchmesser bestückt werden – das können beispielsweise Kabeladern, Lichtleitfasern oder Bowdenzüge sein. Aktuelle Prototypen werden mit einer Kamera oder einem Interaktionsgriff bestückt.

Die Genauigkeit des TST-Formsensors hängt von seiner Länge ab. Wesentlicher Faktor ist der Winkel, der mit dem niederwertigsten Bit der Analog-/Digitalwandlung einer Messstrecke repräsentiert werden kann. In der aktuellen Realisierung mit 12 Bit Auflösung sind das 0,014 Grad/Bit. Dieser unbekannte Winkelbereich pflanzt sich über die Sensorlänge fort. Allerdings treten die Winkelungenauigkeiten der Messstrecken unkorreliert auf. Daher ergibt sich für die Gesamtungenauigkeit eine Normalverteilung, deren Standardabweichung im Quadrat zur Länge wächst.

Für den TST-Sensor ergeben sich vielfältige Einsatzgebiete, so kann er beispielsweise in der Robotik Kabel, Schläuche oder Schleppketten überwachen. An technischen Endoskopen bestimmt er die Position und Lageausprägung. Das Sensorkabel kann auch als Eingabegerät im dreidimensionalen Raum verwendet werden, quasi als 3D-Maus. Eine Integration in Folien und Kleidung für Bewegungsanalysen und Arbeitsschutz ist ebenfalls möglich.

Weitere Produkte sind geplant. So soll in Kürze ein 2D-Flächensensor realisiert werden, sowie eine modulare Formsensortechnologie für lange und große Objekte wie Tragflächen, Dachkonstruktionen oder Schiffe.