Der Tastsinn ist einer der fünf klassischen Sinne des Menschen. Mit ihm nehmen wir taktile Reize unserer Umgebung wahr. Ist der Tastsinn ausgeschaltet, beispielsweise durch eine lokale Anästhesie, wird alltägliches oftmals schwierig – denken wir nur an das Halten von Besteck, das Binden von Schnürsenkeln oder das Anfassen zerbrechlicher Gegenstände. So entscheidend der menschliche Tastsinn auch ist, so wenig wird er bisher in Maschinen umgesetzt. Zusätzlich zum visuellen Sinneskanal kann haptisches Feedback den Chirurgen bei bildschirmgeführten Operationen unterstützen. Es kann Robotern helfen, Objekte unterschiedlicher Größe, Form, Ausrichtung oder Beschaffenheit sicher zu greifen. In der Mensch-Roboter-Kollaboration bietet ein messbares, haptisches Feedback elektromechanischer Finger und Manipulatoren sowie von industriellen Greifsystemen ein großes Potenzial für neue Lösungen, aber auch für mehr Sicherheit in der Interaktion von Werker und Maschine. In kommerziellen Anwendungen ist dies heute noch nicht zufriedenstellend gelöst. Wittenstein hat deshalb die Kraft-Drehmomentsensoren der Baureihe HEX entwickelt.
Kräfte und Drehmomente in sechs Freiheitsgraden präzise erfassen
Die sechsachsigen Kraft-Drehmomentaufnehmer HEX12 und HEX21 messen in den drei translatorischen und rotatorischen Raumrichtungen. Dabei liegt ihnen ein resistives Messprinzip mittels Dehnungsmessstreifen zugrunde. Die mit einer Messfrequenz von einem Kilohertz aufgenommenen analogen Spannungssignale werden über einen Flexleiter an die Elektronikeinheit transportiert und dort mithilfe der Kalibriermatrix in Kräfte und Drehmomente umgerechnet. Die Messauflösung liegt bei weniger als 1 g – ein auf einer Roboterhand landender Nachtfalter würde zuverlässig detektiert werden. Die Sensordaten können mit Hilfe des F/T-Explorers als Desktop-Applikation in Echtzeit visualisiert, aufgezeichnet und als Messwerte in eine Steuerung oder eine Anwendung exportiert werden. Aufnehmer und Elektronik sind als Plug-and-Measure-Sensor-Kit verfügbar – wodurch eine schnelle Inbetriebnahme gewährleistet ist. Für die optimale Integration ist nicht allein die besondere Miniaturbaugröße ausschlaggebend, sondern auch die Möglichkeit, Kabel oder mechanische Elemente durch die Hohlwelle der Kraft-Drehmomentaufnehmer zu führen. Hinzu kommt, dass der Hersteller die Sensoren mit kundenindividuellen Lochbildern fertigen und auch verschiedene Kabeloptionen anbieten kann.
Extreme Miniaturisierung durch disruptives Fertigungskonzept
Die Einsatzgebiete, für die die Sensoren entwickelt wurden, erfordern für die optimale Maschinenintegration ein Höchstmaß an Miniaturisierung. Diese bedeutet in der Regel eine filigrane Fertigung, die oftmals mit diffizilen Prozessen und besonderen Kosten verbunden ist und sich nicht ohne weiteres skalieren und automatisieren lässt. Gleichzeitig darf die Wirtschaftlichkeit der Sensorlösung nicht außer Acht gelassen werden – ihr Preis muss in einem wirtschaftlich sinnvollen Verhältnis zum Endprodukt, beispielsweise einer Roboterhand oder einem Backengreifer, stehen. Wittenstein hat daher für die HEX-Sensoren ein besonderes, disruptives Fertigungskonzept umgesetzt. Hierbei werden die 4 mm² großen Dehnungsmessstreifen planar auf einen mehrteiligen Grundkörper aus Titan aufgeklebt und mittels Flexleiter kontaktiert. Der Grundkörper wird dann zu einer Hexapodstruktur aufgerollt. Dadurch ist es möglich, Außendurchmesser zwischen 6 und 30 mm bei gleichzeitiger Hohlwelle zu erreichen – und mit dem HEX12 und seinen nur 12,5 mm Außendurchmesser den kleinsten, sechsachsigen Kraft-Drehmomentsensor der Welt herzustellen. Gleichzeitig bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, größere Stückzahlen und auch andere Baugrößen effizient und wirtschaftlich zu fertigen.
Herausfordernde Anwendungen
Den Kraft-Drehmomentsensoren eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Hierzu gehören im Bereich der Forschung beispielsweise Operationsroboter, interaktive Telemanipulationssysteme, Gliedmaßenprothesen, künstliche Hände und Exoskelette sowie haptische Eingabegeräte. Darüber hinaus bieten die industrielle Robotik und Automatisierung, kollaborative Roboter sowie Handhabungssysteme zahlreiche Anwendungsfelder, beispielsweise bei herausfordernden Bin-Picking- oder Peg-in-Hole-Greifaufgaben. Ebenfalls sicherheits- und leistungssteigernd sind die neuartigen Sensoren bei kraftgeregelten Mikromontageprozessen in der Elektronik-, Halbleiter- und Uhrenindustrie. Miniaturisierte Bauform und Hohlwelle – die hochpräzisen Kraft-Drehmomentsensoren bieten in dieser Form und Kombination derzeit besondere Leistungsmerkmale. Mit dem Plug-and-Measure Sensor Kit können mit geringem Aufwand unterschiedlichste Anwendungen in Forschung und Industrie realisiert werden. (jg)
Details zu den miniaturisierten 6-achsigen Kraft-Drehmoment-Sensoren von Wittenstein:
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