Robotik Scharfer Blick dank MEMS-Scannerspiegel

Ein Prototyp eines optischen Scankopfs mit integriertem MEMS-Scannerspiegel-Array ist auf der Security in Essen zu sehen.
Ein Prototyp eines optischen Scankopfs mit integriertem MEMS-Scannerspiegel-Array ist auf der Security in Essen zu sehen.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat eine Scanner-Technologie entwickelt, mit der Roboter besser sehen. Die sogenannte LinScan-Technologie kann bei der Aufnahme schnell zwischen Zielpositionen wechseln und die Geschwindigkeit des Scanvorgangs dynamisch anpassen. Eingesetzt wird die Technik in den 3D-Kameras der Roboter.

Robotik ist ein stetig wachsender Markt, vor allem der Bereich der Service-Roboter. Sie übernehmen immer dann, wenn Arbeiten die Gesundheit und Sicherheit der Menschen gefährden oder sie einfach wirtschaftlicher sind. Auch bei komplexen Aufgaben werden die mechatronischen Helfer eingesetzt, z.B. bei der Suche nach Erdbebenopfern.

Um hier jedoch zu helfen, ist es notwendig, dass sie die Aufgaben selbstständig und zuverlässig übernehmen können. Hier müssen Roboter nicht nur ihre Umwelt erfassen, sondern auch ihre Umgebung interpretieren, um ihr Sehen entsprechend steuern zu können. Dafür ist es jedoch notwendig, dass die Roboter in der Lage sind, den Bereich des schärfsten Sehens auf die Objekte in ihrer Umgebung zu konzentrieren, die als interessant bzw. wichtig interpretiert werden.

»Mit der LinScan-Scannerarchitektur bietet das Fraunhofer IPMS eine Scantechnologie für 3D-Kameras, die potenziell das menschliche Visualisierungssystem imitiert«, sagt Thilo Sandner, Chefentwickler am Fraunhofer IPMS und erklärt. »LinScan befähigt den Roboter dazu, sein Umfeld abzusuchen und interessante Objekte mit größerer Genauigkeit aufzulösen«.

Zweidimensional bewegliche MEMS-Scannerspiegel sorgen für scharfe Bilder

LinScan besteht aus zweidimensional beweglichen, monolithischen MEMS-Scannerspiegeln. Hier wird ein resonanter Antrieb mit definierter Frequenz in der schnellen horizontalen Achse mit einer variablen quasi-statischen Auslenkung auf der vertikalen Achse kombiniert. So ist eine Bildaufnahme mit flexibler Abtastgeschwindigkeit und dadurch ein Scannen mit angepasster Auflösung möglich.

Die Scannertechnologie basiert auf der vom Fraunhofer IPMS für resonante Mikroscanner entwickelten Fertigungstechnologie auf. Alle mechanischen Komponenten entstehen als zweidimensionale Strukturen in einer Schicht aus einkristallinem Silizium. Die vertikalen Kammelektroden werden in einem Waferbondprozess mit einem zweiten strukturierten Silizium-Wafer durch Vorauslenkung aus dem Substrat und anschließender Fixierung durch den Waferbond hergestellt. Dabei werden die vertikalen Elektroniden durch mechanische Festkörpermechanismen geführt, von Fertigungstoleranzen ausreichend mechanisch entkoppelt und zueinander ausgerichtet. Das Bauteilkonzept lässt in der Realisierung einen hohen Grad an Flexibilität in den Bauteileigenschaften zu.

In adaptiver 3D-Kamera integriert

Das Fraunhofer IPMS hat sich im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes TACO - Three-dimensional Adaptive Camera with Object detection and foveation – mit vier weiteren Forschungseinrichtungen und zwei Industrieunternehmen zusammengetan, Um das Prinzip der Foveation, also das grobe Absuchen nach im Sichtfeld auftauchenden Objekten, das Erkennen der gesuchten Objekte sowie die Aufnahme dieser Objekte mit deutlich größerer Auflösung in einem Kamerasystem für Sicherheitsanwendungen und Robotik umzusetzen.

Die Projektpartner arbeiten daran, die LinScan-Scannertechnik mit einer dreidimensionalen Objektvermessung auf Basis einer Laufzeitmessung sowie mit einer Software zur schnellen Objekterfassungen und zum Verbessern des Verständnisses der Umwelt in einem Kamerasystem zu kombinieren.

Ein erster Prototyp eines optischen Scankopfes mit fünf integrierten synchron betriebenen LinScan-Scannerspiegeln wird vom 25. Bis 28. September auf der Security in Essen präsentiert.