Taktile Sensorik für die Robotik

Ein deutsch-kanadisches Forschungsprojekt von Nanosen und Sarcomere Dynamics bringt Robotern den Tastsinn näher: Hochauflösende taktile Sensorik ermöglicht es Greifern, Kraftverteilungen zu erfassen, Schlupf in Echtzeit zu erkennen und die Griffkraft dynamisch anzupassen. So entstehen flexiblere und sicherere Robotersysteme für komplexe Anwendungen. 

Moderne Robotersysteme stehen zunehmend vor der Herausforderung, unregelmäßige Objekte dynamisch und sicher handzuhaben. Konventionelle Roboter-Greifer und -Hände greifen auf Positions- oder Motorstromregelung für die Krafterkennung zurück, ihnen fehlt aber die Fähigkeit, physische Interaktionen direkt an der Kontaktfläche zu erfassen. Dies führt insbesondere bei präzisen Anwendungen zu einer Limitierung, die diese Technologien schnell an ihre Grenzen bringt. 

Ein Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkung ist die Integration taktiler Sensorik in Robotergreifer. Hierfür ist eine hohe räumliche Auflösung zur präzisen Erfassung von Kraftverteilungen sowie zur Schlupferkennung von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen einer deutsch-kanadischen Technologiekooperation zwischen der Nanosen GmbH und Sarcomere Dynamics wird genau dieses Ziel verfolgt: Robotern eine verbesserte taktile Wahrnehmung für flexible Einsatzszenarien zu ermöglichen.

Von punktueller Messung zur flächigen Wahrnehmung 

Nanosen kombiniert ein impedanzbasiertes Messprinzip mit Polymer-Nanokompositmaterialien, die ihre kapazitiven und resistiven elektrischen Eigenschaften durch Krafteinwirkung ändern. Eine speziell entwickelte Auswerteelektronik erfasst diese Änderungen und ermöglicht so eine präzise Bestimmung von Kraft. Diese Technologie ist hochgradig anpassbar und bietet die Möglichkeit, mehrere Sensoren in einer Matrix anzuordnen. Im ersten gemeinsamen Prototyp der beiden Firmen, dem Scorpion Gripper, ist auf jeder Greiferseite eine 6 × 4 Sensormatrix integriert, wobei die einzelnen Sensorelemente eine Größe von etwa 4 mm aufweisen. Dadurch kann nicht nur die absolute Kraft erfasst werden, sondern auch deren Verteilung über die Kontaktfläche. Diese Information ist entscheidend, um ein menschliches taktiles Verständnis der Interaktion zu ermöglichen.  

Kontakt- und Schlupferkennung in Echtzeit 

Durch die Integration der Sensorik in den Greifer ergeben sich neue Funktionalitäten, die über klassische Regelkonzepte hinausgehen. 

Bereits beim ersten Kontakt mit einem Objekt kann der Greifer die anliegende Kraft erfassen und die Bewegung stoppen, sobald ein definierter Schwellenwert erreicht ist. Dies verhindert Beschädigungen und ermöglicht eine sichere Handhabung. 

Darüber hinaus wird die Kraftverteilung während des gesamten Greifprozesses kontinuierlich überwacht. Veränderungen in dieser Verteilung lassen sich nutzen, um sogenannte Schlupfereignisse (Slip) zu erkennen - also Situationen, in denen sich ein Objekt relativ zur Greiferoberfläche bewegt. 

In der praktischen Umsetzung wird dies beispielsweise über einen Schlupfwert („Slip Score“) und eine entsprechende Statusanzeige visualisiert. Wird ein Schlupf erkannt, kann das System automatisch reagieren. 

Adaptive Greifstrategien 

Der besondere Mehrwert taktiler Sensorik zeigt sich in dynamischen Anwendungen. In Demonstrationen mit einem Robotergreifer konnte gezeigt werden, dass das System nicht nur in vorprogrammierten Bewegungen greift, sondern aktiv auf äußere Einflüsse reagiert. 

Wird ein Objekt, beispielsweise ein Ball, gegriffen, erfolgt zunächst eine definierte Kraftausübung. Sobald jedoch zusätzliche Kräfte auf das Objekt wirken, etwa durch Ziehen oder Verschieben, erkennt das Sensorsystem die veränderte Situation. 

Daraufhin passt der Greifer seine Kraft in Echtzeit an und erhöht diese gezielt, um das Objekt sicher zu halten. Gleichzeitig wird verhindert, dass unnötig hohe Kräfte aufgebracht werden. Diese Form der adaptiven Greifkontrolle stellt einen wesentlichen Schritt in Richtung intelligenter, kontextunabhängiger Robotik dar. 

Taktiles Feedback als Schlüssel für autonome Robotik 

Mit steigenden Anforderungen an Flexibilität und Autonomie in der Robotik gewinnt die Fähigkeit zur taktilen Wahrnehmung zunehmend an Bedeutung. Systeme, die nicht nur Bewegungen ausführen, sondern physische Interaktionen verstehen, können deutlich vielseitiger eingesetzt werden. 

Die Entwicklung zeigt, wie sich durch die Integration moderner Sensortechnologien gezielt neue Funktionen erschließen lassen und die Robotik in Richtung höherer Präzision und Geschicklichkeit vorantreibt. 

Der als Demonstrator eingesetzte Robotergreifer bildet den Ausgangspunkt der Zusammenarbeit. Künftig soll die Sensortechnologie auch in weitere Systeme von Sarcomere Dynamics integriert werden - insbesondere in fünf-fingerige robotische Hände. 

Bilder: NanoSen GmbH