Sensortechnik für kollaborative Robotik
Echtzeit-Sensoren für sichere Mensch-Roboter-Interaktion
Adaptive Roboter arbeiten ohne Schutzzaun direkt mit Menschen zusammen. Das erhöht die Anforderungen an Echtzeit-Rückmeldung und Positionsgenauigkeit. Sensoren werden zentral im Regelkreis. Encoder, taktile und thermische Sensoren liefern die Datenbasis für eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion.
Traditionelle Industrieroboter waren lange Zeit verlässliche Unterstützer in der Fertigung und zeichneten sich durch vorprogrammierte, sich wiederholende Aufgaben in kontrollierten, isolierten Umgebungen aus. Nun findet in der Automatisierungstechnik aber ein Wandel statt: Kollaborative Roboter (Cobots) gelten heute als unverzichtbar – nicht nur für zukünftige industrielle Vorhaben wie Industrie 5.0, sondern auch für mehr Effizienz in Bereichen wie Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Logistik und sogar im Kundenservice.
Einige Cobots, wie kollaborative Pick-and-Place-Systeme, sehen zwar wie herkömmliche Roboterarme aus, sind jedoch von ihrer Konstruktion her wesentlich komplexer. Der Wandel von vorprogrammierten zu adaptiven, intelligenten und kollaborativen Systemen ist ein Paradigmenwechsel in der Robotik. Auf der Steuerungsseite ist fortschrittliche Embedded-Software, einschließlich Edge-KI für die Echtzeitverarbeitung, erforderlich, und auf der mechatronischen Seite hat sich der Bedarf an Feedback/Rückmeldung deutlich erhöht.
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Sensorik im Wandel
Roboter, die in komplexen, gemeinsam genutzten Umgebungen arbeiten, müssen ihre eigenen Bewegungen und ihre Umgebung weitaus präziser erfassen als ihre industriellen Vorgänger, die in der Regel hinter Lichtschranken und Sicherheitskäfigen betrieben wurden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Roboterarmen, die feste Abläufe wiederholen, müssen Cobots eine Vielfalt an Aufgaben bewältigen. Dazu zählt der Umgang mit empfindlichen Objekten oder die Interaktion mit Menschen, was eine viel höhere Positionsgenauigkeit und Situationswahrnehmung erfordert. Schnelle Reaktionszeiten tragen dazu bei, Kollisionen zu vermeiden.
Mit zunehmenden Freiheitsgraden, also mit mehr Bewegungsfreiheit, steigt auch das Potenzial für kumulative Fehler. Im Gegensatz zu Robotern mit festgelegten Pfaden können Cobots, die unvorhersehbaren Trajektorien folgen, nicht allein durch Software zuverlässig korrigiert werden. Das erhöht die Bedeutung einer präzisen Echtzeit-Rückmeldung an jedem Gelenk und an jeder Schnittstelle.
Als Reaktion darauf entwickeln sich die Anforderungen an Sensoren weiter – nicht nur in Bezug auf ihre Anzahl, sondern auch hinsichtlich Präzision, Zuverlässigkeit und Integrationskomplexität. Melexis baut auf seiner Kompetenz im Industrie- und Fahrzeugbereich auf und erfüllt diese Anforderungen mit einem wachsenden Angebot an Sensor-ICs. Dazu gehören Hochgeschwindigkeits-Motor- und Gelenk-Encoder, Resolver, FIR-Temperatur-Arrays und der taktile Sensor Tactaxis. Sie alle sind optimal auf die spezifischen Anforderungen moderner kollaborativer Roboter abgestimmt.
Schnelle Rückmeldung sicherstellen
Im Zentrum jedes Cobot-Gelenks befindet sich ein Elektromotor, dessen schnelle Bewegung mit minimaler Latenz überwacht werden muss. Der Motorpositions-Encoder MLX90382 von Melexis ist ein Beispiel für die Leistungsfähigkeit von Rückkopplungssensoren der nächsten Generation, die auf diese Anforderung zugeschnitten sind. Basierend auf der bewährten Triaxis-Technologie, die präzise dreiachsige Magnetfeldmessungen mit einem einzigen Sensor ermöglicht, kann er auf der Achse (streufeldunempfindlich), außerhalb der Achse oder sogar in Wellendurchführungen montiert werden und bietet so Designflexibilität für zahlreiche Cobot-Architekturen.
Der Encoder arbeitet mit Drehzahlen bis zu 200.000 U/min latenzfrei und bietet durch seine 16-Punkt-Linearisierung und Streufeldimmunität eine Auflösung von 14 Bit sowie eine Genauigkeit von ±0,35° über eine volle Rotation von 360°. In der Praxis ermöglicht es dies einem Regelungssystem, die Antriebssignale nahezu verzögerungsfrei anzupassen, was Beschleunigungsprofile glättet und Drehmomentspitzen eliminiert, die sonst die Sicherheit von Personen gefährden könnten. Darüber hinaus spart das kompakte SO-8-Gehäuse mit einer Grundfläche von nur 5 mm × 5 mm Platz auf der Leiterplatte in beengten Gelenkgehäusen, vereinfacht das Wärmemanagement und reduziert die Verkabelung in mehrachsigen Konstruktionen.
Weniger kumulative Drift durch hochauflösende Gelenk-Encoder
Während die Hochgeschwindigkeits-Motorrückmeldung eine reaktionsschnelle Drehmomentregelung gewährleistet, erfordert das Aufrechterhalten der Endeffektor-Genauigkeit eine präzise Messung des Winkelausgangs am Getriebe. Die hohe Auflösung optischer Encoder macht sie zur traditionellen Wahl, doch ihre hohen Kosten und der für Cobots erforderliche Montageaufwand erweisen sich in großvolumigen Mehrgelenk-Architekturen als unpraktisch.
Melexis bietet zwei sich ergänzende Alternativen: die magnetischen Encoder der Arcminaxis-Reihe und den in Kürze erscheinenden induktiven Encoder MLX90520, die jeweils unterschiedliche Integrationsherausforderungen lösen.
Arcminaxis nutzt die magnetische Triaxis-Sensorik, um präzise Positions- und Drehzahldaten zu liefern und den Integrationsaufwand im Vergleich zu Drehgebern zu reduzieren. Mithilfe eines Vernier-Magneten mit Master- und Nonius-Spuren misst der Sensor axiale und tangentiale Magnetfeldkomponenten. Vier unterschiedliche Signalwege und integrierte Algorithmen minimieren Übersprechen und harmonische Verzerrungen, während eine Lookup-Tabelle (LUT) die durch Magnetunvollkommenheiten verursachte Nichtlinearität korrigiert. Das Ergebnis ist eine Auflösung von bis zu 18 Bit über eine vollständige Umdrehung, wodurch selbst kleinste Gelenkbewegungen erfasst werden.
Alternativ nutzt der bald verfügbare induktive Encoder MLX90520 Induktivitätsunterschiede strukturierter PCB-Spulen, um Winkelpositionsdaten zu erfassen. Dadurch ist der Sensor immun gegen externe magnetische Störungen, wie sie beispielsweise in der Nähe von Hochleistungsumgebungen häufig auftreten. Er bietet eine Auflösung bis 22 Bit, eine Genauigkeit von unter 0,01° und einen Luftspaltbereich bis zu 2 mm.
Wahrnehmung des Endeffektors: Taktile und thermische Sensorik
Während eine genaue Gelenkrückmeldung wiederholbare Bewegungen ermöglicht, ist eine effektive Endeffektor-Sensorik für den sicheren Betrieb kollaborativer Roboter entscheidend. Tactaxis von Melexis bietet Tastfähigkeit durch kompakte, integrierte taktile Sensoren, die 3D-Kraftvektoren am Kontaktpunkt messen. Jedes „Taxel“ kombiniert ein weiches Elastomer und einen eingebetteten Magneten über einem Triaxis-3D-Magnetsensor-IC. Dieser einfache, aber elegante Aufbau wandelt den auf die Oberfläche ausgeübten Druck, egal ob vertikal oder lateral, in hochauflösende Kraftdaten in Echtzeit um.
Für Cobots, die in gemeinsam genutzten Bereichen arbeiten oder empfindliche Materialien handhaben, kann diese präzise taktile Rückmeldung einen entscheidenden Unterschied machen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraft-Drehmoment-Sensoren, die oft sperrig, teuer oder auf Einzelpunktmessungen beschränkt sind, bietet Tactaxis eine kompakte und skalierbare Lösung. Jeder Sensor kann Normalkräfte bis 5 N und Scherkräfte bis 2 N mit hoher Auflösung erfassen. Das reicht aus, um Gewichtsänderungen von nur wenigen Gramm zu registrieren. So können Cobots sanft greifen, ein Verrutschen erkennen und auf geringfügige Schwankungen des Anpressdrucks reagieren – allesamt wichtige Eigenschaften für Aufgaben, bei denen empfindliche Teile, eine enge Zusammenarbeit mit Menschen oder variable Objektgeometrien eine Rolle spielen.
Die Möglichkeit, mehrere Taxel zu flexiblen Arrays anzuordnen, erlaubt es Entwicklern, taktile Oberflächen zu konstruieren, die sich an gekrümmte oder gelenkige Geometrien anpassen – ähnlich wie die sensorische Wahrnehmung der menschlichen Haut. Unabhängig davon, ob das System in einem Cobot-Effektor, einer humanoiden Hand oder einem Roboter-Exoskelett eingesetzt wird, liefert es umfassende, verteilte Kraftdaten. Dies ermöglicht eine neue Klasse von Roboterverhalten: Der Griff wird dynamisch angepasst, der Kontakt intelligent interpretiert und die physische Interaktion wird so gehandhabt, dass die für eine sichere und intuitive Mensch-Maschine-Zusammenarbeit erforderliche Feinfühligkeit gewährleistet ist.
Temperaturrückmeldung ist ebenfalls entscheidend für die Überwachung der internen Integrität des Roboters als auch seiner Betriebsumgebung. Melexis bietet eine Reihe hochpräziser Einzelpunkt-Thermometer an, darunter digitale Infrarot-Thermometer in TO-Gehäusen und Infrarot-Sensor-Arrays. Das Infrarot-Wärmesensor-Array MLX90642 kann Objekttemperaturen kontaktlos von -40 bis 300 °C mit einer Genauigkeit von ±1 °C messen und eignet sich für zahlreiche Anwendungen, vom Bauteilschutz bis zur menschlichen Interaktion.
Das Array mit 32 × 24 Pixeln bietet eine räumliche Auflösung, die Gesten- und Anwesenheitserkennung sowie andere KI-gestützte Verhaltensweisen ermöglicht. Diese Funktionen waren bei herkömmlichen vorprogrammierten Industrierobotern nicht erforderlich, sind aber für Cobots und humanoide Roboter, die in dynamischen Umgebungen arbeiten, unerlässlich.
Fazit
Der Übergang von isolierten, vorprogrammierten Robotern zu adaptiven Cobots stellt einen bedeutenden Fortschritt in der industriellen Automatisierungstechnik dar – ein Fortschritt, der nicht nur von Software, sondern auch von einer neuen Generation von Sensoren abhängt.
Unternehmen wie Melexis tragen dazu bei, diese Herausforderung zu meistern, indem sie kompakte, leistungsstarke Sensoren anbieten, die Bewegung, Wahrnehmung und sichere Interaktion unterstützen. Da kollaborative Systeme im Mittelpunkt der modernen Robotik stehen, bleibt die Sensorik ein entscheidendes Leistungsmerkmal beim Bau von Maschinen, die nicht nur effizient, sondern auch bewusst und intuitiv gestaltet sind.
Autor: Julien Ghaye ist Product Line Manager Robotics bei Melexis
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