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Maschinen- / Anlagenbau

Optischer Sensor ermöglicht intelligentes Greifen und Bearbeiten von Objekten

09.10.2007 | Autor / Redakteur: Giulio Milighetti und Helge-Björn Kuntze / Udo Schnell

Bild 1: Aufbau des optischen Schlupfsensors.
Bild 1: Aufbau des optischen Schlupfsensors.

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Die autonome Interaktion eines Roboters mit einer unstrukturierten, sich ständig verändernden Umwelt setzt voraus, dass der Roboter die Umgebung mit geeigneten Sensoren und entsprechenden Lern- und Regelungsverfahren erfassen kann. Während am Markt verschiedene ausgereifte bildgebende und kraftmessende Sensoren zur Verfügung stehen, mangelt es noch an Schlupfsensoren, die in der Lage sind, die Relativbewegung, das heißt den Schlupf zwischen Roboterhand und berührten Gegenständen, zu detektieren und online zu messen.

Die meisten vorgeschlagenen Lösungskonzepte basieren darauf, über die Messung der tangentialen Kontaktkräfte mit Hilfe taktiler Sensoren [10] oder reibungsbedingter Vibrationen mit Hilfe von Beschleunigungs-Sensoren [8; 9] den Schlupf indirekt zu detektieren oder zu schätzen. Eine direktes Messen der relativen Schlupfgeschwindigkeit war mit den bisherigen Sensorkonzepten nicht möglich. Diese Einschränkung und der relativ hohe Realisierungsaufwand sind die wesentlichen Gründe dafür, dass es bisher nicht gelang, industrietaugliche Produkte zu entwickeln.

Alternativ zu den bisher vorgeschlagenen Konzepten wurde am Fraunhofer IITB ein optischer Schlupfsensor entwickelt [1], der eine direkte Messung der relativen Schlupfbewegung ermöglicht. In Verbindung mit kraftmessenden taktilen Sensoren lassen sich nun für anspruchsvolle Aufgabenstellungen für Roboter im industriellen und häuslichen Umfeld intelligente Lösungsideen realisieren. Zudem lässt sich das optische Sensorkonzept kostengünstig umsetzen und aufgrund seiner geringen Baugröße sehr gut in komplexe Mechatronik- und Maschinenstrukturen integrieren.

Das Spektrum möglicher Anwendungen ist sehr vielfältig, konzentriert sich jedoch besonders auf die beiden folgenden Einsatzbereiche:

  • kraftschlüssiges sicheres Greifen und Manipulieren fragiler Gegenstände sowie
  • wischende und schleifende Oberflächenbearbeitung von unfixierten oder bewegten Werkstücken.

Der entwickelte Schlupfsensor basiert auf dem Prinzip der optischen Maus. Die Oberfläche des vom Roboter berührten Objektes wird von einer Leuchtdiode (LED) oder einer Laserdiode beleuchtet. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird mit einer Linse gebündelt und gelangt in die Minikamera des Sensor-Chips (Bild 1). Die Bildinformation kommt als Graustufenbild in den DSP (Digitaler Signal-Prozessor) des Sensor-Chips und wird dort zunächst in Geschwindigkeiten umgerechnet. Dann werden aus den Geschwindigkeiten schließlich die Bewegungsdaten (?x- und ?y-Werte) berechnet.

Als Algorithmus für die Geschwindigkeitsberechnung wird die so genannte Methode des optischen Flusses verwendet, die einen relativ geringen Rechenaufwand erfordert. Als optischer Fluss (eng. Optical Flow) wird ein Vektorfeld bezeichnet, das die 2D-Bewegungsrichtung und -Geschwindigkeit für jeden Bildpunkt oder jedes Pixel einer Bildsequenz angibt [2].

Die Funktionsweise basiert also auf Bildverarbeitung. Sensoren sind zu finden, die mit einer Aufnahmefrequenz von 10000 Frames pro Sekunde (fps) Bilder aufnehmen und die eine maximale räumliche Auflösung von 3200 counts/inch haben. Sowohl die Aufnahmefrequenz als auch die Auflösung sind wesentlich höher als die der meisten kraftmessenden taktilen Tastsensoren [3].

Prinzipiell ist die reale Auflösung des Schlupfsensors

  • vom Material und der Oberflächentextur des Gegenstandes,
  • vom Abstand zur Oberfläche,
  • von der Relativgeschwindigkeit zwischen Gegenstand und Sensor

nichtlinear abhängig [4] (Bild 2).

Diese nichtlineare Abhängigkeit lässt sich durch die Einbeziehung eines inversen Systemmodells kompensieren. Die Modellparameter werden experimentell bestimmt, aber sie können auch für unbekannte Oberflächen durch eine automatische Modellkalibrierung extrahiert werden [7].

Aufgrund seiner Fähigkeit, die Relativgeschwindigkeit zwischen Roboterhand und berührten Gegenständen messen zu können, lässt sich der Schlupfsensor hervorragend für die Automatisierung von Wisch- und Schleifaufgaben einsetzen. Durch die materialabhängigen nichtlinearen Kennlinien (Bild 2) lassen sich bekannte Texturen automatisch erkennen und darüber hinaus Materialarten klassifizieren. Durch ein automatisches Kalibrierungsverfahren können die Kennlinien auch für unbekannte Materialien adaptiert werden.

Durch die Einbeziehung eines Kraft-Momenten-Sensors als weiteren komplementären Sensor kann eine hybride Kraft-Schlupfregelung für eine gewünschte konstante Anpresskraft und Wischgeschwindigkeit auch bei gekrümmten Oberflächen sorgen. Auf eine aufwendige Fixierung des Werkstückes kann somit verzichtet werden und das zu wischende oder zu schleifende Objekt kann prinzipiell von einem Menschen gehalten und während der Bearbeitung sogar bewegt werden (Bild 3).

Eine lokale Bahnprogrammierung, ohne die Bewegung des Objekts und ein räumliches festes Koordinatensystem zu betrachten, ist schneller und einfacher als die bei Industrierobotern heute noch übliche aufwendige Bahnprogrammierung. Eine automatische Konturerkennung, die eine automatische flächendeckende Bearbeitung von Werkstückoberflächen ermöglicht, ist auch realisierbar.

Am Fraunhofer IITB wurde exemplarisch ein Anwendungsbeispiel implementiert, in dem der Roboter eine lokal programmierbare Schleifbahn mit konstanter Anpresskraft auf einer Werkstückoberfläche zu realisieren hat [5]. Das Werkstück wird während der Oberflächenbearbeitung nicht fixiert, sondern von einem Operator oder einem anderen Roboter gehalten (Bild 3). Verwendet wurde ein Schlupfsensor mit einer Aufnahmefrequenz von 2300 fps, einer nominalen Auflösung von 400 counts/inch bei einer Baugröße von 35 mm × 75 mm × 6 mm (Gehäuse Ø 100 mm).

Die Genauigkeit der kraft- und schlupfgeregelten Oberflächenbearbeitung wurde für unterschiedliche Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Bewegungsgeschwindigkeiten des unfixierten Gegenstandes experimentell untersucht. Bei dem in Bild 4 dargestellten Messergebnis wurde zum Beispiel ein Tablett mit einer mäanderförmigen Bewegungstrajektorie mit einer Bahngeschwindigkeit von 300 mm/s bearbeitet. Während der Bearbeitung wurde das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von 37,5 mm/s und einer Beschleunigung von 30 mm/s2 einer willkürlichen Bewegung unterzogen. Trotz dieser störenden Relativbewegung verminderte sich die Bearbeitungsgenauigkeit im Vergleich zu der Bearbeitung des ruhenden Objektes nur unwesentlich. Die in Bild 4 dargestellten Versuchsergebnisse lassen zum Beispiel eine Bahnabweichung von nur zirka 1% des gefahrenen Weges erkennen.

Glatte Flächen sicher greifen

Das kraftschlüssige Greifen glatter fragiler Objekte kann im industriellen und häuslichen Umfeld erhebliche Probleme verursachen, weil vom Greifer eine Anpresskraft gewählt werden muss, die einerseits groß genug ist, ein sicheres rutschfreies Greifen zu gewährleisten, und andererseits nicht so hoch ist, dass das Greifobjekt beschädigt wird. Bei fragilen Objekten (etwa Glasröhren oder Reagenzgläser) führt eine zu hohe Greifkraft zu Bruch. Ein rutschfreies und subtiles kraftschlüssiges Greifen von Gegenständen mit unbekanntem Reibkoeffizienten durch einen Roboter lässt sich nur dann sicher realisieren, wenn sowohl der Schlupf als auch die Anpresskraft intelligent geregelt werden [6].

Erste erfolgreiche Versuche in dem Bereich wurden am Fraunhofer IITB mit Hilfe eines Standardgreifers PG070 der Firma Schunk durchgeführt (Bild 5). In einer Backe ist ein taktiler Sensor-Array DSA 9205 der Firma Weiss Robotics integriert, in der anderen ein Schlupfsensor mit einer Aufnahmefrequenz von 1500 fps, einer nominalen Auflösung von 300 counts/inch und einer Baugröße von 23 mm × 60 mm × 6 mm. Erste experimentelle Untersuchungen mit dem Schlupfsensor lassen erkennen, dass ein gleit- und zerstörungsfreies Greifen von Plastik- und Keramikobjekten gewährleistet werden kann, auch wenn Schwankungen der Last und des Haft-Gleitparameters auftreten.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der am Fraunhofer IITB entwickelte Schlupfsensor die Möglichkeit eröffnet, intelligentere, bisher ungelöste Aufgabenstellungen im Bereich der industriellen Fertigung und Montage, der Laborautomatisierung oder für Serviceroboter im privaten Umfeld zu lösen. Besonders bei der Reinigung oder Oberflächenbearbeitung von Gegenständen sowie beim subtilen Greifen und Manipulieren zerbrechlicher Objekte werden interessante Einsatzbereiche gesehen. Der Schlupfsensor lässt sich sehr preisgünstig realisieren und aufgrund seiner geringen Baugröße einfach in komplexe mechatronische Strukturen integrieren.

Literatur

  • [1] M. Bächlin, J. Beyerer, H.-B. Kuntze, G. Milighetti, „Vorrichtung zum schlupf-überwachten, kraftschlüssigen Ergreifen, Halten und Manipulieren eines Objektes mittels einer Greiferanordnung“, Deutsche Patentanmeldung, Amtsaktenzeichen: 10 2005 032 502.5, Anmeldetag 12.07.2005, Erteilt am 26.10.2006.
  • [2] K. Berthold, P. Horn und Brian G. Schunck, „Determining optical flow“, Artificial Intelligence, Vol. 17, Nr. 1-3, pp. 185-203, 1981.
  • [3] Weiss Robotics, Innovation in tactile sensing www.weiss-robotics.de/
  • [4] Agilent Technologies, Inc: Agilent ADNS-2610 Optical Mouse Sensor, Data Sheet, Agilent Technologies, 2004.
  • [5] S. Bürger, „Roboterbasierte geregelte Bearbeitung bewegter Oberflächen unter Verwendung eines neuartigen Schlupfsensors“, Diplomarbeit, Universität Karlsruhe, August 2006.
  • [6] M. Bächlin, „Kraftgeregeltes Greifen und Tragen eines schweren Objekts mit Hilfe von zwei Roboterarmen“, Studienarbeit, Universität Karlsruhe, August 2005.
  • [7] G. Milighetti, S. Bürger, H.-B. Kuntze, „On the robot based surface finishing of moving unknown parts by means of a new slip and force control concept“, IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA 2007, Rome, Italy, April 2007.
  • [8] D. J. O’Brien, D. M. Lane, „Force and Slip Sensing for a Dexterous Underwater Gripper“, IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA 1998, Leuven, Belgium, May 1998.
  • [9] P. J. Kyberd, P. H. Chappell, „Characterization of an optical and acoustic touch and slip sensor for autonomous manipulation“, Measurement Science and Technology, Vol. 3, pp. 969-975, 1992.
  • [10] G. Puchhammer, „The Tactile Slip Sensor: Integration of a Miniaturized Sensory Device on a Myoelectric Hand“, Orthopädie-Technik Quarterly, English, edition I/2000.

Dott. Ing. Giulio Milighetti ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung IITB. Dr.-Ing. Helge-Björn Kuntze ist dort Leiter der Abteilung Mess-, Regelungs- und Diagnosesysteme. Weitere Informationen: Giulio Milighetti, 76131 Karlsruhe, Tel. (07 21) 60 91-5 02, giulio.milighetti@iitb.fraunhofer.de

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