Kollaborative Roboter (Cobots) verändern die moderne Fertigung, Logistik, das Gesundheitswesen und die Forschung, indem sie eine sichere Interaktion zwischen Mensch und Maschine ermöglichen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Industrierobotern sind Cobots für den Einsatz in gemeinsam genutzten Arbeitsbereichen konzipiert, weshalb eine präzise Kraftmessung sowohl für die Sicherheit als auch für die Leistungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist.
Ganz gleich, ob ein Cobot empfindliche Bauteile greift, einen Bediener unterstützt oder Qualitätsprüfungen durchführt – seine Fähigkeit, äußere Kräfte zu erkennen und darauf zu reagieren, hat direkten Einfluss auf seine Effektivität. Die Auswahl der richtigen Kraftmesstechnik ist jedoch nicht immer einfach. Verschiedene Sensorprinzipien bieten unterschiedliche Stärken, und die optimale Lösung hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab.
In diesem Artikel werden die gängigsten Kraftmesstechnologien im Bereich der kollaborativen Robotik verglichen und die Faktoren hervorgehoben, die Ingenieure bei der Auswahl einer Sensorlösung berücksichtigen sollten.
Wichtige Anforderungen an Kraftsensoren für Cobots
Bei der Auswahl eines Kraftsensors müssen verschiedene technische Anforderungen gegeneinander abgewogen werden. Die Bedeutung der einzelnen Kriterien hängt von der jeweiligen Anwendung ab, doch einige Faktoren spielen in der kollaborativen Robotik stets eine wichtige Rolle.
Empfindlichkeit und Genauigkeit
Cobots handhaben häufig Objekte mit unterschiedlicher Steifigkeit, unterschiedlichem Gewicht und unterschiedlicher Zerbrechlichkeit. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit können sie sowohl geringe Kontaktkräfte als auch größere mechanische Belastungen zuverlässig erkennen und dabei eine präzise Steuerung gewährleisten.
Mechanische Flexibilität
Viele Roboter-Endeffektoren weisen gekrümmte oder kompakte Geometrien auf, die nur begrenzten Einbauraum lassen. Flexible Sensorlösungen können die Integration vereinfachen und die Kraftmessung an Oberflächen ermöglichen, die mit starren Sensoren nur schwer auszustatten sind.
Integrationsraum
Kompakte Sensorkonstruktionen tragen dazu bei, die Komplexität des Systems zu verringern, und ermöglichen die Kraftmessung in Anwendungen, in denen herkömmliche Sensoren nur schwer untergebracht werden könnten.
Stabilität und Wiederholbarkeit
Eine zuverlässige Langzeitleistung ist für die industrielle Automatisierung von entscheidender Bedeutung. Sensortechnologien sollten über längere Betriebszeiträume hinweg stabile Messwerte liefern, dabei Abweichungen minimieren und eine gleichbleibende Signalqualität gewährleisten.
Sicherheit
Die Kraftmessung mit geringer Latenz ermöglicht eine schnelle Systemreaktion bei unbeabsichtigten Berührungen und trägt so zu einer sichereren Zusammenarbeit zwischen Mensch und Roboter bei.
Vergleich gängiger Technologien zur Kraftmessung
In der Robotik kommen verschiedene Sensorprinzipien zum Einsatz, die je nach Anwendungsbereich jeweils einzigartige Vorteile bieten.
| Technologie | Flexibilität | Typische Stärken | Einschränkungen |
|---|---|---|---|
| Kraftmesswiderstand | Hoch | Dünn, flexibel, kostengünstig, einfach zu integrieren | Begrenzte Genauigkeit, Hysterese, Drift, verminderte Wiederholgenauigkeit; eignet sich eher für die Berührungserkennung als für präzise Kraftmessung |
| Dehnungsmessstreifen | Niedrig | Hohe Genauigkeit, ausgereifte Technologie, ideal für Wägezellen | Starre Bauweise, eingeschränkte Gestaltungsfreiheit |
| Piezoelektrisch | Niedrig | Hervorragend geeignet für die dynamische Kraftmessung und Schwingungserfassung | Statische Kräfte lassen sich nicht genau messen |
| Kapazitiv | Mäßig | Hohe Empfindlichkeit, geeignet für Berührungs- und Näherungserkennung | Anfällig für Umwelteinflüsse und parasitäre Kapazität |
| Force-Sensing-Impedanz-Technologie (FSI) | Hoch | Flexible, anwendungsspezifische, stabile und wiederholbare Sensorik auf Systemebene | Erfordert eine spezielle, auf der Impedanz basierende Ausleseelektronik |
Jede Technologie ist auf unterschiedliche technische Herausforderungen ausgerichtet. Anstatt nach einem universell „besten“ Sensor zu suchen, sollten Ingenieure prüfen, welches Messprinzip ihren mechanischen, elektrischen und leistungsbezogenen Anforderungen am besten entspricht.
Wie die Force-Sensing-Impedance-Technologie (FSI) den Anforderungen moderner Cobots gerecht wird
Die von NanoSen entwickelte „Force Sensing Impedance“ (FSI)-Technologie verfolgt einen systemorientierten Ansatz bei der Kraftmessung, indem sie fortschrittliche PNC-Materialien mit einer speziellen, auf Impedanz basierenden Signalerfassung kombiniert.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensortechniken ermöglicht das PNC-Material allein keine zuverlässige Kraftmessung. Genaue und wiederholbare Messungen werden durch das Zusammenspiel zwischen dem Material und der von NanoSen entwickelten Auslesetechnologie erreicht.
Dieser Ansatz ermöglicht anwendungsspezifische Lösungen zur Kraftmessung, die für folgende Bereiche optimiert werden können:
- Flexible Sensorgeometrien
- Kompakte Systemintegration
- Stabile und wiederholbare Messungen
- Hohe Empfindlichkeit
- Langfristige Zuverlässigkeit
- Kundenspezifische Anforderungen an die Mechanik und Elektrik
Da jede Anwendung unterschiedliche Herausforderungen mit sich bringt, unterstützt NanoSen seine Kunden auch mit Entwicklungsdienstleistungen, die von der Konzeptprüfung und Machbarkeitsstudien über die Materialanpassung bis hin zur Prototypenentwicklung, Validierung und Systemintegration reichen.
Anstatt eine Anwendung an einen vordefinierten Sensor anzupassen, ermöglicht die Force Sensing Impedance (FSI)-Technologie die Entwicklung einer Sensorlösung, die genau auf die spezifischen Anforderungen der Anwendung zugeschnitten ist.
Fazit
Es gibt keine einzige Kraftmesstechnologie, die für jeden kollaborativen Roboter ideal ist.
Dehnungsmessstreifen, Kraftmesswiderstände, piezoelektrische Sensoren, kapazitive Sensoren und die FSI-Technologie (Force Sensing Impedance) bieten jeweils unterschiedliche Vorteile, je nach Anwendung, Integrationsanforderungen und Leistungszielen.
Da sich Cobots immer weiter zu kompakteren, anpassungsfähigeren und intelligenteren Systemen entwickeln, gewinnen flexible und anwendungsspezifische Sensorlösungen zunehmend an Bedeutung. Indem Ingenieure nicht nur die Messleistung, sondern auch die Integrationsfähigkeit, Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit berücksichtigen, können sie die für ihre Konstruktion am besten geeignete Kraftmesstechnik auswählen.
Für Anwendungen, die eine maßgeschneiderte, flexible Kraftmessung erfordern, bietet die Force Sensing Impedance (FSI)-Technologie von NanoSen eine innovative Alternative, die fortschrittliche Polymer-Nanokompositmaterialien mit einer firmeneigenen, auf Impedanz basierenden Messmethode kombiniert, um zuverlässige, anwendungsspezifische Sensorlösungen zu ermöglichen.
Möchten Sie mehr über die verschiedenen Anwendungen erfahren? Hier finden Sie Informationen zu den verschiedenen Anwendungen.
Bisher keine Antworten