Interaktion zwischen Mensch und Roboter
Intelligentere Roboter brauchen intelligentere Sensoren
Die Robotik wächst rasant und erfordert menschenähnliche Interaktion. Dafür sind präzise Sensoren entscheidend. Melexis bietet mit Tactaxis und Arcminaxis innovative Lösungen für taktiles Feedback und Bewegungssteuerung, die sichere, adaptive und effiziente Roboteranwendungen ermöglichen.
Da Robotik immer komplexere Aufgaben übernimmt, insbesondere im Dienstleistungsbereich und bei humanoiden Anwendungen, ist der Bedarf an Maschinen, die fast so natürlich wie Menschen mit ihrer Umgebung interagieren, größer denn je. Intelligente Steuerungssysteme bilden zwar die Grundlage für Autonomie und präzise Entscheidungsfindung, doch erst innovative sensorische Rückmeldesysteme runden das Bild ab. Diese beiden Aspekte sorgen dafür, dass moderne Roboter subtile Signale aus ihrer Umgebung verstehen, sich fließend an unvorhergesehene Umstände anpassen und anspruchsvolle Aufgaben bewältigen können, die früher nur dem Menschen vorbehalten waren.
Jüngste Untersuchungen der IFR (International Federation of Robotics) unterstreichen das rasante Wachstum der Branche und die steigenden Erwartungen. So machen Cobots mittlerweile 10,5 Prozent aller neu installierten Industrieroboter aus. Im Jahr 2023 waren über 56.000 Einheiten in Betrieb – ein deutlicher Anstieg gegenüber den 14.100 Cobot-Installationen im Jahr 2018. In ähnlicher Weise dringen Serviceroboter in den Haushalts-, Gesundheits- und Bildungsbereich vor, wobei der Markt bis Ende 2025 voraussichtlich 40 Mrd. Dollar überschreiten wird.
Diese Trends unterstreichen die wachsende Nachfrage nach fortschrittlicher Robotik und den dringenden Bedarf an absoluter Sensorik. Daher ist die Integration neuer Sensortechnologien, die sowohl die interne als auch die Umgebungswahrnehmung verbessern und die Skalierbarkeit des Designs fördern, von entscheidender Bedeutung. Nur so lassen sich Roboter in komplexen, realen Situationen einsetzen und die Feinheiten und Nuancen menschlichen Verhaltens nachahmen.
Melexis, mit langjähriger Erfahrung in der Entwicklung von Halbleitersensoren für den Fahrzeug- und Industriebereich, wendet sein Know-how nun auch in der Robotik an. In diesem Beitrag untersuchen wir die Herausforderungen beim Nachahmen menschlicher Interaktion und stellen die neuen taktilen Tactaxis-Sensoren sowie das breitere Sensorangebot von Melexis vor. Entwickler sind damit imstande, die nächste Generation der Robotik zu verwirklichen.
Menschenähnliche Interaktion realisieren – die Herausforderungen
Die Entwicklung von Robotern, die auf natürliche und sichere Weise mit Menschen interagieren, bringt viele komplexe Herausforderungen mit sich. Menschenähnliche Interaktion zu realisieren ist nicht nur eine Frage, ausgefeilte und gut trainierte KI-Modelle zu implementieren, sondern erfordert auch die Ausstattung der Maschinen mit einer Vielzahl von Rückmeldefunktionen/Feedback. Die Integration zusätzlicher Sensorik ist jedoch ebenfalls mit technischen Herausforderungen verbunden.
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Während Roboter in traditionellen kontrollierten Labor- oder Industrieumgebungen oft auf feste Programmierung und begrenzte Sensor-Feedbacks angewiesen sind und häufig mit rudimentären Kraftaufnehmern und nur wenigen Encodern auskommen müssen, muss die nächste Robotergeneration eine viel größere Bandbreite an sensorischen Eingaben nahtlos integrieren. Diese Integration stellt für Entwickler eine Herausforderung dar und erhöht die Komplexität und Kosten des Designs. Daher ist es entscheidend, dass Sensoren für den Einsatz in Robotern so konzipiert sind, dass sie die Entwicklung beschleunigen und die Integration und Montage vereinfachen.
Integration unterschiedlichster Sensordaten
Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Notwendigkeit, Daten aus einer Vielzahl von Sensortypen zusammenzuführen (Sensor-Fusion). Moderne Robotersysteme sind auf Eingaben von taktilen Sensoren, Positionsgebern, Temperatur-, Stromsensoren und anderen externen Detektoren angewiesen. Die Integration dieser unterschiedlichen Datenströme in ein einheitliches Sensormodell ist kein einfacher Prozess. Er erfordert nicht nur ausgefeilte Algorithmen, die Unterschiede in Auflösung, Abtastrate und inhärenten Signalschwankungen ausgleichen können, sondern auch eine Hardware, die eine reibungslose Integration ermöglicht. Dies kann standardisierte Kommunikationsprotokolle umfassen, um Kompatibilitätsprobleme zu reduzieren oder eine codefreie Sensorkonfiguration, um die Entwicklung zu vereinfachen. Werden diese Integrationsherausforderungen auf algorithmischer als auch auf Hardware-Ebene bewältigt, können Entwickler sicherstellen, dass die vielfältigen Sensordaten zu einem zusammenhängenden Datenstrom fusionieren, sodass Roboter präzise und effizient reagieren können.
Schwächen herkömmlicher Sensoren und das Skalierbarkeitsgebot
Einige Sensortechnologien, wie optische Encoder oder einfache Kraftaufnehmer, funktionieren innerhalb kontrollierter Laborumgebungen oft ausreichend. In unvorhersehbaren Situationen im privaten oder gewerblichen Bereich können sie jedoch versagen. Dies kann daran liegen, dass der Sensor nicht empfindlich genug ist, um subtile oder sich schnell ändernde Bedingungen zu erkennen, oder dass er nicht robust genug für Anwendungen ist, die anfällig für Staub, Vibrationen oder andere Probleme sind.
Darüber hinaus stellt das Streben nach Wachstum und neuen Marktchancen in der Robotik eine Herausforderung hinsichtlich der Skalierbarkeit dar. Bei serienmäßig gefertigten Robotern sind die einfache Montage und Integration neben Kostenaspekten und Langzeitzuverlässigkeit oft ebenso wichtig wie die Sensorleistung.
Insgesamt erfordert eine menschenähnliche Interaktion in der Robotik eine ausgeklügelte Kombination aus fortschrittlichen Sensortechnologien und intelligenter Datenfusion. Dies hilft den Entwicklern, Roboter mit den nuancierten, robusten sensorischen Rückmeldungen zu konstruieren, die für einen sicheren, effizienten und natürlichen Betrieb erforderlich sind.
Tactaxis: Damit Roboter fühlen können
Tactaxis von Melexis unterstützt den Trend zu menschenähnlicher Robotik, die in Anwendungen wie industriellen Cobots und Haushaltsrobotern eng mit Menschen zusammenarbeitet. Trotz der Fortschritte in den Bereichen Robotersehen und -bewegung ist die taktile Sensorik seit langem unterentwickelt. Tactaxis bietet eine Lösung, die 3D-Kraftrückmeldungen in Echtzeit für eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion und präzise Steuerung liefert.
Die Sensorfunktion von Tactaxis basiert auf einem integrierten Magneten, der in ein weiches Elastomer eingebettet ist, das wiederum über einem Triaxis-3D-Magnetsensor-IC angeordnet ist. Diese Struktur erinnert an die Tastrezeptoren der menschlichen Haut und ermöglicht es dem Sensorarray (den »Taxels«) 3D-Kraftdaten präzise zu erfassen. Werden Druck oder Scherkräfte auf den Sensor ausgeübt, verändert sich das Magnetfeld. Diese Veränderungen werden vom IC präzise erfasst, sodass Roboter Berührungen wahrnehmen können.
Mit einer Kraftauflösung von 30 mN sind Tactaxis-Sensoren in der Lage, selbst kleinste Schwankungen der einwirkenden Kraft zu erkennen. Sie sind so konstruiert, dass sie Normalkräfte bis zu 5 N und Scherkräfte bis zu 2 N zuverlässig messen. In unerwarteten Situationen, in denen höhere Kräfte auftreten halten die Sensoren bis zu 15 N unbeschadet stand. Diese Empfindlichkeit ist entscheidend für Roboter, die anspruchsvolle Aufgaben wie adaptives Greifen und Feinmotorik ausführen, die für die Mensch-Roboter-Interaktion und Anwendungen wie den sorgfältigen Umgang mit landwirtschaftlichen Erzeugnissen unerlässlich sind.
Darüber hinaus lassen sich die kompakten Sensorelemente leicht zu großen Arrays konfigurieren, um komplexe Oberflächen oder mehrfingrige Roboterhände abzudecken. Diese Flexibilität bedeutet, dass Tactaxis unabhängig von der Anwendung – ob industrielle Montage, Gesundheitsrobotik oder tragbare Prothesen – eine robuste Plattform bietet, die sich an spezifische Designanforderungen anpassen lässt.
Aus technischer Sicht stellt die Integration fortschrittlicher Sensoren in Robotersysteme oft eine Herausforderung dar, insbesondere wenn knappe Produktionsbudgets und räumliche Beschränkungen eine Rolle spielen. Tactaxis löst diese Probleme durch seine kompakte Bauweise mit nur 6 mm × 6 mm × 4,4 mm pro Sensorelement und die werkseitige Kalibrierung. Diese Integration vereinfacht den Einsatz in verschiedenen Roboterplattformen und bietet Kostenvorteile gegenüber aufwändigeren optischen oder mechanischen Sensorlösungen.
Durch kontinuierliche und differenzierte Rückmeldungen verbessert Tactaxis die Fähigkeit eines Roboters, mit seiner Umgebung zu interagieren. Der Sensor ahmt den Wahrnehmungsmechanismus der menschlichen Haut nach und ermöglicht es Robotern, aus menschlichen Erfahrungen zu lernen und sich an diese anzupassen. Dies erleichtert die Integration in alltägliche Umgebungen. Die von Tactaxis gewonnenen Daten ermöglichen beim Greifen oder Handhaben adaptive Anpassungen in Echtzeit, was Beschädigungen empfindlicher Objekte verhindert und sichere Interaktionen bei der Zusammenarbeit mit Menschen gewährleistet. Ob in der industriellen Automatisierung oder in der Gesundheitsfürsorge – dieses verfeinerte taktile Feedback fördert eine menschenähnliche Interaktion, die ansprechend und von Natur aus sicher ist.
Weitere Sensorneuheiten von Melexis
Tactaxis ist ein herausragendes Produkt im Bereich der taktilen Sensorik für Roboter, und ein Teil einer breiteren Palette von Sensortechnologien, die Melexis anbietet und Entwickler dabei unterstützt, ihre Designs zu verbessern.
Arcminaxis: Präzision in der Bewegungssensorik
Arcminaxis ist ein Beispiel für die Balance zwischen Präzision und praktischer Umsetzung. Die Technik stellt detailliertes Feedback zu Position und Geschwindigkeit bereit und verfügt über ein zweispuriges Magnetdesign vom Typ Vernier sowie On-Chip-Kalibrierung. Dadurch deckt der Sensor einen vollständigen 360°-Bereich mit einer Auflösung von 18 Bit ab und erfasst Positionsänderungen mit außergewöhnlicher Wiederholgenauigkeit.
Arcminaxis wurde entwickelt, um Probleme wie mechanische Fehlausrichtungen und magnetische Reststörungen zu überwinden. Der Sensor bietet eine zuverlässige und flexible Alternative zu herkömmlichen Drehgebern. Seine Fähigkeit, sich nahtlos in verschiedene Roboterplattformen zu integrieren, von stationären Armen bis hin zu tragbaren Exoskeletten, unterstreicht seine Rolle, die Bewegungssteuerung in serienmäßigen Roboterkonstruktionen zu verbessern.
Den Horizont in der Sensorik erweitern
Neben taktilen und Positionssensoren bietet Melexis eine Reihe ergänzender Sensor-ICs, die auch andere Aspekte der Robotik abdecken. Diese Lösungen sind, ähnlich wie die speziellen Robotiklösungen Tactaxis und Arcminaxis, darauf ausgelegt, Neuerungen voranzutreiben und die Integration zu vereinfachen. Melexis liefert verschiedene Komponenten (Positions-, Temperatur- und Stromsensoren sowie Latch- und Schalter-ICs), die auf die spezifischen Herausforderungen moderner Robotik zugeschnitten sind.
Fazit und Download des E-Guide
Die Zukunft der Robotik wird durch die Integration innovativer sensorischer Rückmeldesysteme und intelligenter Steuerungslösungen geprägt. Fortschrittliche Sensortechnologien wie Tactaxis und Arcminaxis sind unverzichtbare Werkzeuge, mit denen Entwickler sichere, adaptive und menschenähnliche Roboterinteraktionen entwickeln können, die in den vielfältigen Anwendungsumgebungen von heute entscheidend sind.
Das Angebot an Sensor- und Antriebs-IC-Lösungen von Melexis basiert auf dem entwicklungszentrierten Ansatz des Unternehmens und erfüllt die hohen technischen Anforderungen moderner Robotik. Entwickler können damit Integrationsprobleme bewältigen und die Leistungsfähigkeit optimieren. Mithilfe dieser Sensortechnologien lassen sich Robotersysteme schaffen, die hocheffizient sowie zu nuancierten, natürlichen Interaktionen fähig sind.
Entwickler und Branchenexperten, die sich über Neuerungen im Bereich Robotik sowie über Marktstatistiken, Trends, Anwendungen und Herausforderungen informieren möchten, können den aktuellen E-Guide von Melexis herunterladen: »Engineering the Future of Robotics: Mastering the Integration of Enhanced Sensory Capabilities«.
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