Multi

Industrieroboter sind für Präzisionsmontage und Hochgeschwindigkeits-Kommissionierungs-/Verpackungsaufgaben erschwinglicher denn je. Durch Verbesserungen bei Fähigkeiten wie dem Sehvermögen bringt jede neue Generation mehr menschenähnliche Geschicklichkeit und Flexibilität mit. Dank eines zuverlässigen und kostengünstigen Tastsinns können sie jetzt mit zerbrechlichen Gegenständen umgehen, um eine noch größere Vielfalt an Aufgaben zu erfüllen und sicherer mit Menschen zu interagieren.

Es wurden verschiedene Techniken erforscht, um die taktile Sensorik für Roboter einzuführen. Dazu gehören Flüssigmetallsensoren, die den Widerstand eines in Mikrofluidikkanälen fließenden Flüssigmetalls messen, das durch äußere Kräfte moduliert wird. Obwohl diese Art von Sensor rund um die Fingerspitzen des Roboters integriert werden kann, misst er keine lokalisierte 3D-Kraft. Stattdessen werden die verteilten Kräfte auf eine Widerstandsänderung abgebildet. Eine Gruppe solcher Sensoren kann ein Muster erkennen. Daher wird diese Technik meist bei speziellen Klassifizierungsaufgaben nach entsprechender Schulung eingesetzt.

Ein anderer Ansatz verwendet eine hochwertige optische Kamera, um die Verformung eines Elastomermaterials zu messen, das in die Greifflächen eingebettet ist oder diese bedeckt. Diese Technologie ist kommerziell verfügbar und wird bereits in intelligenten multimodalen Robotergreifern eingesetzt. Allerdings benötigt die Kamera ein umfangreiches Pixelarray, und die Übertragung der Daten mit Videorate zur Analyse erfordert eine erhebliche Kommunikationsbandbreite und -leistung.

Eine andere Lösung auf optischer Basis überwindet einige dieser Herausforderungen, indem sie einen Quadranten von Fotodiodendetektoren anstelle einer vollständigen Kamera verwendet. Von innen wird Licht in eine elastische Kuppel eingestrahlt und die Detektoren erfassen die Verformung der Kuppel aufgrund der Kontaktkräfte. Allerdings ist der Stromverbrauch um ein Vielfaches höher als bei typischen 3D-Magnetometern, was eine noch einfachere und effizientere Alternative darstellen kann.

Bei solchen Magnetsensoren ist ein Magnet in ein Elastomermaterial eingebettet, ähnlich dem, das im kamerabasierten System verwendet wird. Ein an der Rückseite montiertes Magnetometer ermöglicht eine 3D-Kraftmessung, indem es die Änderung des Magnetfelds misst, die durch die Verschiebung des Magneten bei der Verformung des Elastomers verursacht wird. Mehrere solcher Sensoren wurden mit einem Einzelausgangsmagnetometer demonstriert, das man sich als taktiles Pixel oder „Taxel“ vorstellen kann. Forscher haben verschiedene Konfigurationen gebaut, von einfachen Einzelpixel- und 2×2-Arrays bis hin zu einer 15 mm2 großen kontinuierlichen magnetischen Haut, die aus magnetischen Mikropartikeln besteht. Solche Einzelpixel-Magnetkraftsensoren haben durch die Kombination des Sensors mit der sinusförmigen Magnetisierung eines flexiblen Films und Deep-Learning-Techniken eine Auflösung von unter 1 mm erreicht.

Die hier genannten Magnetsensoren verwendeten das Einzelpixel-Magnetometer Melexis MLX90393. Zu den Vorteilen der Magnetsensorik gehören zwar ein relativ geringer Stromverbrauch und ein minimaler Rechen- und Kommunikationsaufwand, die Einzelpixelsensorik ist jedoch anfällig für Störungen durch externe Magnetfelder. Die Ausgabe des Magnetometers kann durch nicht zusammenhängende Effekte in der Umgebung verzerrt werden, beispielsweise durch die Aktivierung eines Elektromotors, das Vorhandensein anderer Magnete oder Schwankungen im Erdmagnetfeld.

Ein Magnetkraftsensor mit mehreren benachbarten Pixeln innerhalb desselben integrierten Schaltkreises (IC) (Abbildung 1) kann durch die Möglichkeit einer Differenzmessung für Immunität gegenüber Streufeldern sorgen. In diesem Artikel wird beschrieben, wie der gradiometrische Multipixel-Magnetsensor von Tactaxis gebaut und getestet wurde.

Der lineare Wegsensor MLX90372 von Melexis bietet eine praktische Plattform zur Demonstration des gradiometrischen Sensorprinzips. Dieser Sensor gibt normalerweise die Winkelverschiebung entlang eines Bogens aus. Die Konfiguration des Geräts im Testmodus ermöglicht jedoch den direkten Zugriff auf die rohen magnetischen Messwerte der einzelnen Pixel aus dem Speicher. Der Sensor ist in einem Standard-TSSOP-Gehäuse mit den Abmessungen 5 mm × 4,3 mm × 0,9 mm untergebracht und enthält zwei nebeneinander liegende CMOS-Chips mit zwei Pixeln pro Chip. Daher enthält dieses einzelne, kompakte Bauteil vier magnetische Pixel, die etwa 2 mm voneinander entfernt angeordnet sind, was die Messung des Gradienten des Magnetfelds ermöglicht. Jedes Pixel erfasst die Normalkomponente des Feldes Bz und die Bx-Komponente in der Ebene.

Oben auf dem IC-Gehäuse befindet sich ein weiches Elastomer, das einen eingebetteten Scheibenmagneten mit axialer Magnetisierung enthält. Die Verwendung einer zylinderförmigen Elastomerprobe minimiert die Neigung des Magneten und bietet eine nachgiebige Oberfläche. Durch die Ausübung einer Kontaktkraft auf das Elastomer wird der Magnet verschoben, wodurch das Magnetfeldmuster moduliert wird. Die vier magnetischen Pixel erfassen jeweils diese Verschiebung und können so die Auswirkungen von Normal- und Querkräften erkennen. Bei einer normalen Verschiebung des Magneten ist die gradiometrische Komponente ∂Bx/∂x am stärksten betroffen. Bei einer seitlichen Verschiebung hingegen wirkt sich der Einfluss hauptsächlich auf die gradiometrische Komponente ∂Bz/∂x aus.

Beachten Sie, dass der Sensor nur die Verschiebung des Magneten misst. Der Zusammenhang zwischen Verschiebung und aufgebrachter Kraft hängt von anderen Faktoren ab und erfordert eine weitere Kalibrierung und Berechnung. Die Größe des Magneten, die Härte des Elastomers und der Durchmesser des Elastomerzylinders beeinflussen alle die Größe des Sensorausgangs, wenn eine Kraft ausgeübt wird. Ein größerer, stärkerer Magnet erhöht das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), ohne die volle Kraft zu beeinträchtigen. Ein härteres Elastomer ermöglicht eine größere Gesamtkraft. Bei gleicher Krafteinwirkung ist die Verschiebung des Magneten jedoch geringer als bei einem weicheren Material. Daher verringert eine Erhöhung der Härte auch die Änderung des magnetischen Signals und damit das SNR. Schließlich fungiert der Elastomerdurchmesser als Skalierungsfaktor zwischen der Gesamtkraft und dem lokalen Druck direkt über dem Magneten. Ein größerer Durchmesser verteilt die Kraft über eine größere Fläche, wodurch das SNR sinkt und gleichzeitig eine größere Gesamtkraft aufgenommen wird.

Abbildung 2 zeigt das Funktionsblockdiagramm der Signalkette.

Die Signalverarbeitung erfolgt außerhalb des Chips und beginnt mit der Skalierung der acht digitalen Ausgangssignale des Chips, um den Empfindlichkeitsabfall des Hall-Effekts mit steigender Temperatur (–0,5 %/°C) zu korrigieren.

Die Streumagnetfelder werden dann durch Kombinationen von Feldkomponenten unterdrückt. Der Mittelwert des Bx-Feldes und des Bz-Feldes wird zunächst entfernt, so dass verbleibende Terme übrig bleiben, die sich auf den Gradienten des Magnetfelds beziehen. Tatsächlich verarbeitet der Kraftsensoralgorithmus die Magnetfeldunterschiede innerhalb der beiden Matrizen.

Der Merkmalserweiterungsblock berechnet die Norm √(Bx2 + Bz2) in jedem Erfassungspixel und erzeugt an jedem Pixel ein 12-dimensionales Vektorsignal {Bx, Bz, Bnorm}.

Im letzten Schritt wird ein neuer Vektor generiert, der alle Polynomkombinationen zweiter Ordnung des 12-dimensionalen Vektors einschließlich Interaktionstermen enthält. Dadurch entsteht ein Vektorsignal der Dimension 91.

Schließlich berechnet die Inferenzstufe die Kraft- und Planardrehmomentwerte aus dem Vektorsignal unter Verwendung einer 91-mal-5-Gewichtungsmatrix. Die Gewichte werden durch ein Trainingsverfahren ermittelt, bei dem eine Referenzlastzelle verwendet wird, die auf einer dreiachsigen beweglichen Plattform montiert ist, um das Elastomer durch Aufbringen einer bekannten Verschiebung zu belasten. Die Kraft der Kraftmesszelle und die entsprechenden magnetischen Signale des Sensors wurden an 13.000 Positionen über einen Verschiebungsbereich von 1,5 mm Tiefe und 1,1 mm Radius gemessen und gespeichert.

Um zu demonstrieren, wie die Auswirkungen externer Felder eliminiert werden, wurde der Sensor zwischen zwei Helmholtz-Spulen platziert, die ±2 mT erzeugen (Abbildung 3a). Ein Feld gleicher Stärke kann in etwa 3 cm Entfernung von herkömmlichen Haushaltsgeräten wahrgenommen werden.

Die vom Sensor unter Verwendung des gradiometrischen Konzepts gemessene Kraft ist in Abbildung 3b (blaue Kurve) dargestellt und zeigt, dass der Streufeldfehler auf 0,3 % des Skalenendwerts begrenzt ist. Der Prototypsensor wurde dann so umkonfiguriert, dass er als einfaches Magnetometer ohne Streufeldunterdrückung funktioniert und das Verhalten der früheren Einzelpixelsensoren nachahmt. Das Streufeld dringt ohne Unterdrückung direkt in den Signalpfad ein und erzeugt Fehler von bis zu 20 % bei −2 mT (rote Kurve). Dies ist fast zwei Größenordnungen größer als der Gradiometersensor.

Der Prototyp des Tactaxis-Sensors wurde auf einer kommerziellen Roboterhand montiert. Ein grundlegender Kraftkontrollalgorithmus wurde implementiert, um die Hand sanft einen Ballon greifen zu lassen. Abbildung 4 zeigt den Demonstrationsaufbau.

Durch die Verwendung des Sensors als einfaches Einzelpixel-Magnetometer wird die Kraft zunächst gut reguliert, ohne dass Streufeldstörungen auftreten. Durch das Einbringen eines Streufelds mithilfe eines Magneten wurde der Kraftsensor beschädigt, sodass die Hand den Ballon je nach Polarität entweder losließ oder zerdrückte.

Bei Verwendung des Tactaxis-Sensors im richtigen Multi-Pixel-Modus blieb die Kraft jederzeit korrekt reguliert, unabhängig vom sich nähernden Magneten bis zu einer Entfernung von wenigen Zentimetern.

Tabelle 1 vergleicht die Eigenschaften des Tactaxis-Multipixelsensors mit handelsüblichen magnetischen, optischen und piezoelektrischen Einzelpixel-Kraftsensoren.

Der Einzelpixel-Magnetsensor ist kompakt und ermöglicht eine 3D-Kraftvektorerfassung mit modernster Auflösung, insbesondere in Konfigurationen mit mehreren Sensoren. Allerdings bleibt die Empfindlichkeit gegenüber Streufeldern eine wesentliche Einschränkung.

Der optische Sensor ist von Natur aus völlig immun gegen magnetische Streufelder und bietet eine ähnliche 3D-Krafterfassungsleistung. Obwohl es sich funktionell hervorragend für die Roboterhandintegration eignet, treiben die diskreten optischen Komponenten die Kosten in die Höhe.

Piezoresistive Sensoren haben den Vorteil eines kleinen Formfaktors, etwa der Größe eines IC-Gehäuses, und erreichen eine konkurrenzfähige Kraftauflösung, können aber nur die Normalkraft erfassen.

Im Gegensatz dazu bietet der Prototyp eines Tactaxis-Multipixelsensors die bekannten Vorteile magnetischer Sensoren, nämlich 3D-Krafterfassung, Weichheit, Wirtschaftlichkeit und Kompaktheit, mit überlegener Immunität gegenüber realen parasitären Streufeldern. Daher hat dieses gradiometrische Sensorkonzept die Robustheit der Kraftmessung für Roboteranwendungen verbessert.

Dieser Artikel wurde von Gael Close, Global Innovation Manager, Melexis, verfasst. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Mr. Close unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Mai-Ausgabe 2023 des Sensor Technology Magazine.

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