Neuer Sensor für Robotergreifer
Mehr Fingerspitzengefühl
Ein Team von Forschenden rund um Hubert Zangl vom Institut für Intelligente Systemtechnologien hat gemeinsam mit internationalen Partnern einen neuartigen taktilen Sensor entwickelt, der Robotergreifer deutlich sensibler macht. Die Technologie mit dem Namen CapTac misst nicht nur Druckkräfte, sondern auch sogenannte Scherkräfte - also seitlich wirkende Kräfte, die auftreten, wenn ein Objekt zu rutschen beginnt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht.
Bild: Universität KlagenfurtIn der Industrie sind Greifer weit verbreitet - sie sind robust, aber oft wenig feinfühlig. Gerade beim Umgang mit empfindlichen, zerbrechlichen oder schwer zu fassenden Objekten stoßen herkömmliche Systeme an ihre Grenzen. "Greift ein Mensch nach einem Objekt, kann er erkennen: Wie und wie stark kann ich das Objekt greifen? Für Maschinen ist es entscheidend, Kontaktflächen zu erkennen und die Verteilung von Normal- und Scherkräften zu messen, insbesondere dann, wenn es darum geht, zu erkennen, ob ein Objekt rutscht oder ob ein Objekt so empfindlich ist, dass es bei zu starkem Druck Schaden nehmen könnte", erklärt Hubert Zangl vom Institut für Intelligente Systemtechnologien. Er führt weiter aus: "Die präzise Erfassung von Kontaktflächen und -kräften ist ein Schlüsselbaustein für die Weiterentwicklung der Robotik, da sie eine unverzichtbare Grundlage für sicheres Greifen und stabile Kontakte darstellt."
Bild: Universität KlagenfurtNeu entwickelte Sensortechnik
Die nun neu entwickelte Sensortechnik CapTac stellt Lösungen für diese Herausforderungen vor. Sie erfasst die Verteilung von Normal- und Scherkräften auf der Greiffläche. Dadurch kann ein Roboter erkennen, ob ein Objekt zu rutschen beginnt oder ob es zu stark gedrückt wird - und entsprechend gegensteuern. Zum Einsatz kommt ein leicht austauschbares, drahtloses (über Bluetooth BLE) kapazitives taktiles Sensor-Array. Zangl erklärt dazu: "Diese Sensoren nutzen ein kostengünstiges Herstellungsverfahren auf der Basis von leitfähigen, flexiblen Elektroden, die in eine Silikonmatrix eingebettet werden. Die Finger des Greifers sind also weich. Kapazitive Sensoren erfassen die Verformung des Silikons, wodurch Rückschlüsse auf die Kontaktkräfte gezogen werden können."
Die Sensoren bestehen aus neun Zellen mit jeweils vier dreieckigen Elektroden (X1,X2,Y1,Y2 - in Summe 6,1x6,1mm), auf denen die Silikonmatrix als Dielektrikum aufgetragen wird. In dieser Matrix befinden sich die flexiblen zentral platzierten Gegenelektroden (3x3mm), die sich im Gegensatz zur starren Platine bei vorhandenen Scherkräften verschieben lassen. Durch diese Verschiebungen ändert sich Überlappungsfläche der Elektroden und dadurch auch die messbare Kapazität. Da bei jeweils zwei Elektroden einer Erhöhung und bei den anderen zwei eine Reduktion auftritt, lässt sich dadurch auch die Wirkrichtung der Scherkraft bestimmen. Bei Vorhandensein einer Druckkraft ist, unter der Voraussetzung einer hinreichend großen Kontaktfläche, von einer gleichmäßigen Zunahme der Kapazität auszugehen.
Abschirmungsschicht zum Schutz vor externen Störfaktoren
Um den Einfluss von externen Störfaktoren zu eliminieren, kann, sofern dies für den Anwendungsfall nötig ist, zusätzlich eine weitere Shielding Layer (Abschirmungsschicht) angebracht werden. Hierbei wurden zwei Alternativen, eine leitfähige Textilschicht bzw. das Auftragen von leitfähiger Silbertinte, analysiert. Diese Schichten führen allerdings zu einer Reduktion der Sensitivität, da insbesondere das zusätzliche großflächige Textil zu einer Versteifung des Sensors führt. Bei der Silbertinte trat dieser unerwünschte Nebeneffekt wesentlich abgeschwächter auf.
Die Belastbarkeit dieser Silikonmatrix wurde experimentell in einer vorhergehenden Arbeit untersucht, wobei hier Belastungstests bis 300N durchgeführt wurden und bei Greifexperimenten von weichen und zerbrechlichen Gegenständen auch nach über 1.000 Zyklen keine Beeinträchtigung der Sensitivität festgestellt werden konnte. Die Kapazität/Kraft Verlaufskurve (gemessene Kapazitätsdifferenz gegenüber anliegender Kontaktkraft) für einen Kraftbereich bis 12N wurde durch Eindringtests mithilfe eines handelsüblichen 3D-Druckers und eines externen Kraftsensors für Normalkräfte ermittelt und festgehalten. Um Scherkräfte am Sensor einzubringen, wurde der Sensor auf dem Prüfstand zusätzlich in Schräglage gebracht.
Versuchsreihe am Roboter
In einer weiteren Versuchsreihe wurde CapTac mit einem GelSight Mini Taktil Sensor, der als Stand der Technik in der taktilen Sensorik in der Robotik angesehen wird, an die Fingerspitzen eines Roboters angebracht, um damit Maßgewichte (zwischen 50 und 300g) mit einem Tray (Gewicht: 100g) zu heben und die auftretenden Kräfte zu messen. Hierbei wurde bei CapTac eine etwas höhere Linearität gegenüber dem Benchmark festgestellt, wobei der Vergleichssensor tendenziell eher einem quadratischen Verlauf folgt. Preislich liegt CapTac dagegen bei einem Bruchteil der Kosten sowohl bei der Initialanschaffung als auch beim Austausch der sensiblen Pads.
Das System kann nicht nur in weichen Roboterfingern Anwendung finden. Auch an anderen strategischen Positionen des Roboters könne man die Lösung beliebig skalieren und so als smarte Roboterhaut einbauen und die umfassenden Vorteile nutzen: Die Sensorpads können schnell ausgewechselt werden, die Datenübertragung erfolgt drahtlos und die Lösung ist kostengünstig produzierbar.
Ein Team von Forschenden rund um Hubert Zangl vom Institut für Intelligente Systemtechnologien hat gemeinsam mit internationalen Partnern einen neuartigen taktilen Sensor entwickelt, der Robotergreifer deutlich sensibler macht. Die Technologie mit dem Namen CapTac misst nicht nur Druckkräfte, sondern auch sogenannte Scherkräfte - also seitlich wirkende Kräfte, die auftreten, wenn ein Objekt zu rutschen beginnt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht.
Bild: Universität KlagenfurtIn der Industrie sind Greifer weit verbreitet - sie sind robust, aber oft wenig feinfühlig. Gerade beim Umgang mit empfindlichen, zerbrechlichen oder schwer zu fassenden Objekten stoßen herkömmliche Systeme an ihre Grenzen. "Greift ein Mensch nach einem Objekt, kann er erkennen: Wie und wie stark kann ich das Objekt greifen? Für Maschinen ist es entscheidend, Kontaktflächen zu erkennen und die Verteilung von Normal- und Scherkräften zu messen, insbesondere dann, wenn es darum geht, zu erkennen, ob ein Objekt rutscht oder ob ein Objekt so empfindlich ist, dass es bei zu starkem Druck Schaden nehmen könnte", erklärt Hubert Zangl vom Institut für Intelligente Systemtechnologien. Er führt weiter aus: "Die präzise Erfassung von Kontaktflächen und -kräften ist ein Schlüsselbaustein für die Weiterentwicklung der Robotik, da sie eine unverzichtbare Grundlage für sicheres Greifen und stabile Kontakte darstellt."
Universität Klagenfurt
Dieser Artikel erschien in ROBOTIK UND PRODUKTION 3 (Juni) 2026 - 25.06.26.Für weitere Artikel besuchen Sie www.robotik-produktion.de
