Entwicklung eines taktilen ortsauflösenden Näherungssensors zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Interaktion und Kooperation zwischen Mensch und Roboter kommen sowohl im Bereich der industriellen Fertigung aber auch im Bereich der Service-Robotik ein immer höherer Stellenwert zu. Die Erfassung des menschlichen Benutzers und seiner Umwelt erfolgt zum gegenwärtigen Zeitpunkt mit einer Vielzahl unterschiedlicher Sensoren, meistens mit unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien. Insbesondere die Erfassung der unmittelbaren Umgebung des Roboters bzw. des Arbeitsbereichs seiner Greifsysteme leistet einen erheblichen Beitrag in Bezug auf sichere Systeme bzw. erfolgreiches Greifen von Objekten. Im Rahmen des Projekts „Entwicklung eines taktilen ortsauflösenden Näherungssensors zur sicheren Mensch-Roboter-Kooperation“ wurde dementsprechend ein Sensorsystem entwickelt, das unter Verwendung des selben physikalischen Prinzips (Messung von Kapazitäten) die Annäherung und den Kontakt zwischen Mensch und Umwelt ortsauflösend erfassen kann. Hierbei wurde ein Konzept entwickelt, das die gesamte Messkette umfasst, angefangen bei dem eigentlichen Sensor, der analogen Messelektronik, der entsprechenden digitalen Demodulation und Signalverarbeitung bis zur messtechnischen Charakterisierung der Sensoren und weiteren Verarbeitung der Sensorwerte. Nach der Entwicklung eines prototypischen Systems wurden Sensoren in Hinblick auf die Verwendung als Roboteroberflächensensor als auch zur Verwendung in Greifsystemen entwickelt. Bei den verwendeten Frequenzbereichen kann der Mensch als ein an Erde gekoppelter Leiter betrachtet werden und durch die Sensoren im „Annäherung Sendemodus“ gut erfasst werden. Durch die räumlich Verteilung des Sensors kann die Position des Menschen bezüglich der Sensoren erfasst und somit die Anwesenheit, Abstand und Position in der unmittelbaren Umgebung des Sensors erfasst werden. Somit ermöglicht der Sensor den Aufbau eines Sicherheitssystems für Roboter, das die Anwesenheit und Kontakte mit dem Menschen erfassen kann. Durch die Verwendung des Sensors in Robotersystemen kann im Bereich der kontaktlosen und kontaktbasierten Mensch-Roboter Kooperation neue Formen des Zusammenwirkens von Mensch und Roboter untersucht und neue Konzepte entwickelt werden. Neben der Entwicklung des Sensors als großflächigen taktilen Näherungssensor für Roboteroberflächen, stand die Entwicklung eines Sensorsystems für mehrfingrige Robotergreifer im Vordergrund. Die Sensoren wurden beispielhaft in einen Zweibackengreifer und in einen anthropomorphen 5-Finger Greifer implementiert und entsprechend des Anwendungsszenarios ausgelegt. Es konnte gezeigt werden, dass der Sensor die Lage von unterschiedlichen Objekten (leitende geerdete und nicht geerdete sowie Nichtleiter) bezüglich der Fingerkoordinaten erfassen kann. In weiteren Untersuchungen konnte ebenfalls die eingeschränkte Verwendbarkeit der Sensorsignale zur kapazitiven Tomographie in einem 5- Finger Greifer gezeigt werden. Mit diesen Messwerten und Algorithmen zu deren Interpretation, werden neue Methoden zur Lokalisierung von Objekten im Arbeitsbereich des Greifers ermöglicht. In weiteren Untersuchungen kann die Auswertung dieser Informationen zur sensorbasierten Greifplanung und zur kontaktfreien Exploration verwendet werden. In grundlegenden Untersuchungen wurde weiterhin ein Klassifikationssystem entwickelt, das den Schlupf zwischen Objekt und Greiferfinger erkennen und somit das Greifen und die Manipulation von Objekten verbessern kann. Zur taktilen Erfassung beim Greifen wurden planare Sensorzellen vermessen und Modelle basierend auf Hammerstein-Wiener-Strukturen identifiziert, welche nichtlineare und zeitliche Effekte des Sensorverhaltens kompensieren. Neben der räumlichen Erfassung von Kontaktprofilen ist eine modellbasierte Korrektur der Sensorsignale eine Grundvoraussetzung um Profile der Druckverteilung im Kontaktpunkt zu erstellen und eine taktile Exploration bzw. sensorsignalbasiertes Greifen anhand der Messwerte zu ermöglichen. Gerade im Hinblick auf die Manipulation von Objekten und die Greifplanung ergeben sich durch die Verwendung dieses Sensors völlig neue Möglichkeiten, die in ihrer umfassenden Betrachtung zu neuen Greifstrategien und zugehörigen komplexen Fragestellungen führen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Tactile Sensing for an Anthropomorphic Robotic Hand: Hardware and Signal Processing”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2009, Kobe, Japan
Dirk Göger, Nicolas Gorges, Heinz Wörn
- “A tactile proximity sensor”, IEEE Sensors 2010, Hawaii, USA
Dirk Göger, Matthias Blankertz, Heinz Wörn
- “Haptic Object Recognition Using Passive Joints and Haptic Key Features”, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2010
Nicolas Gorges, Stefan Escaida Navarro, Dirk Göger, and Heinz Wörn
