Sensorik Ohne Sensoren geht nichts

Autor: Jan Vollmuth

Von Mensch-Roboter-Kollaboration bis zur Gesundheitsfürsorge: Ohne Sensoren geht dabei nichts, wie aktuelle Forschungsprojekte von Fraunhofer-Instituten zeigen.

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Durch die multisensorielle Arbeitsraumüberwachung kann die Mitarbeiterin sicher mit dem Roboter interagieren.
Durch die multisensorielle Arbeitsraumüberwachung kann die Mitarbeiterin sicher mit dem Roboter interagieren.
(Bild: Manfred Zentsch / Fraunhofer IOSB)

Industrie 4.0 ist eines der beherrschenden Themen in der Automatisierung. Ein Ziel dieser Initiative ist eine hochflexible und sehr effiziente Produktion, die etwa auch durch die direkte Zusammenarbeit von Menschen und Robotern erreicht werden soll. Dabei besteht eine der größten Herausforderungen darin, die Sicherheit des Menschen zu gewährleisten. Dies wird heute meist durch striktes Trennen von Mensch und Roboter erreicht, etwa mit Hilfe von Zäunen, Lichtschranken und ähnlichen Sicherheitsvorkehrungen. Der Nachteil: Diese Vorkehrungen verhindern das gemeinsame Nutzen von Arbeitsräumen sowie eine enge physische Zusammenarbeit.

Multisensorielle Überwachung des Arbeitsbereichs

Diesen Nachteil will das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) ausräumen: Das Institut entwickelte für eine enge Mensch-Roboter-Kooperation ein Verfahren, das auf eine multisensorielle Überwachung des Arbeitsbereichs setzt. Sie stellt eine Repräsentation der statischen und dynamischen Roboterumgebung zur Verfügung. Auf dieser Grundlage erkennt der Roboter mögliche Kollisionen z. B. mit Menschen und kann diese frühzeitig und sicher vermeiden.

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Durch den Einsatz mehrerer Tiefensensoren können dynamische Hindernisse verfolgt und deren Position und Geschwindigkeit geschätzt werden. Dies erlaubt ein frühzeitiges Erkennen möglicher Kollisionen. Außerdem wird in der Roboterumgebung eine 3D-Darstellung der Hindernisse berechnet, die auch den durch Hindernisse und den Roboter verdeckten Bereich berücksichtigt, der für die Sensoren nicht einsehbar ist. So lässt sich der Abstand des Roboters zu den Hindernissen abschätzen.

Roboter mit Gesten bedienen

Die mögliche Interaktion des Roboters umfasst die Kommunikation zwischen Mensch und Roboter, als auch die physische Interaktion des Roboters mit Gegenständen und Menschen. Die Kommunikation zwischen Mensch und Roboter erfolgt durch Gesten des Menschen: Der kann z. B. auf ein Objekt zeigen, das ihm der Roboter bringen soll. Diese Gesten erkennt der Roboter mit Hilfe einer Tiefenkamera, die am Arbeitsplatz montiert ist. Gleichzeitig werden bei einer physischen Interaktion, z. B. bei der Übergabe von Werkzeugen, die dabei entstehenden Kräfte gemessen. Sie werden auch verwendet, um den Zeitpunkt des Loslassens eines Gegenstands zu steuern.

Gesünder dank Sensorüberwachung

Während Sensoren bei der Mensch-Roboter-Kooperation für die Sicherheit des Menschen sorgen, tragen Sensoren in funktionellen Kleidungsstücken zu gesteigerter Gesundheit und Fitness ihrer Träger bei, etwa durch eine trainingsunterstützende Kontrolle von Bewegungsabläufen. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) hat jetzt ein neues, transparentes Material für Sensoren entwickelt, das sich einfach auf Textilien drucken lässt und Bewegung misst. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT), das die Auswerteelektronik entwickelt, entsteht derzeit ein erstes Shirt mit der entsprechenden Sensor-Technologie.

Die verwendeten Sensormaterialien sind flexibel, transparent und könnten für verschiedene Zwecke genutzt werden: Sie registrieren Druck und Verformung und können so als Touch- oder Bewegungssensoren eingesetzt werden. Die zusätzliche Temperatursensitivität ermöglicht darüber hinaus auch eine Temperaturänderungsüberwachung, die Anwendung als Näherungssensor und die berührungslose Interaktion.

Sensoren werden einfach aufgedruckt

Mit einem simplen Siebdruckverfahren können die Sensorpasten auf textile Stoffe oder auch Folien kostengünstig aufgetragen werden. Da die Sensoren um ein vielfaches dünner als ein Haar sind und sehr fein in beliebiger Form aufgetragen werden können, werden sie für den Träger des Kleidungsstücks kaum spürbar sein. Ein weiterer Vorteil: Die Sensoren benötigen keine Stromquelle in Form einer Batterie, sondern erzeugen selbst Strom.

Textilien mit entsprechender Sensorik ließen sich im Gesundheitsbereich oder in der Pflege einsetzen. Auch für ältere Menschen kann eine Kontrolle ihrer Bewegungsabläufe hilfreich sein. In Krankenhäusern könnten Textilien mit Sensorik neben Bewegungen etwa auch die Körpertemperatur oder die Atmung überwachen. Denkbar wäre in Zukunft auch die Überwachung des Herzschlags. Funktionelle, sensorische Kleidung könnte mit diesen Funktionen einen wesentlichen Beitrag zur Kostenentlastung des Gesundheitswesens leisten. (jv)

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Über den Autor

 Jan Vollmuth

Jan Vollmuth

Redakteur, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht