C3 | Gelenkintegrierte Sensorik
Das Kernziel der Arbeiten des Sonderforschungsbereichs stellt die Entwicklung hochdynamischer Parallelroboter zur Handhabung und Montage dar. Um die Genauigkeit der Positionierung des jeweiligen Endeffektors zu erhöhen, kann mit Hilfe von geeigneten Sensordaten eine Kalibrierung durchgeführt werden. Die hierfür im Steuerungsmodell verwendeten kinematischen Parameter werden dabei den tatsächlichen Gegebenheiten anpasst, die aufgrund von Fertigungsfehlern und thermischer Ausdehnung nicht den nominellen Werten des Modells entsprechen. Normalerweise werden die benötigten Messungen von externen Messeinheiten durchgeführt. Parallelroboter hingegen bieten die Möglichkeit einer eleganteren Lösung der Messdatenaufnahme durch die Integration von Winkelsensoren in die passiven Gelenke der Roboterstruktur. Dieser Ansatz, der diverse Vorteile gegenüber der konventionellen Kalibrierung bietet, wird als Selbstkalibrierung bezeichnet, da die Winkelsensoren Teil des Robotersystems sind. Des Weiteren können die Sensoren auch zur analytischen Lösung des DKPs und zur Arbeitsraumüberwachung eingesetzt werden.
Abbildung 1: Aufbau eines Ringkern-Fluxgates
Abbildung 2: Vollständige Sensoranordnung
Die Zielsetzung des Teilprojektes C3 ist die Entwicklung eines in die passiven Gelenke des Parallelroboters zu integrierenden Mikrosensorsystems, welches durch mikrotechnische Methoden realisiert wird und dadurch einen hohen Miniaturisierungsgrad erreicht.
Im zweiten Antragszeitraum wurden die Sensorkonzepte aus dem ersten Zeitraum weiterentwickelt und durch weitere ergänzt. Dabei wurden in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt C1 die Voraussetzungen für die universelle Integration verschiedener Sensortypen in die Robotergelenke geschaffen. Zusätzlich zum Sensordesign wurden auch die Technologien des mikrotechnischen Herstellungsprozesses in diesem Teilprojekt untersucht und optimiert, um die Reproduzierbarkeit und damit die Sensorausbeute zu erhöhen. Die entwickelten Sensoren arbeiten alle nach einem induktiven Prinzip, unterscheiden sich jedoch in ihrer Funktionsweise nach inkrementellem und absolut messenden Systemen. Der funktionell einfachste, aber zugleich genaueste Sensor arbeitet nach dem Fluxgate-Prinzip. Dabei misst ein Sensor die Drehung eines Magnetfeldes, das durch einen auf dem Rotor des Gelenkes befestigten Permanentmagneten erzeugt wird (Abbildungen 1 und 2). Erste Versuche mit diesem Sensor zeigten viel versprechende Ergebnisse.
Abbildung 3: Mikrotechnisch gefertigtes Fluxgate
Abbildung 4: Sensor-Integration in ein passives Robotergelenk
Im aktuellen dritten Förderungszeitraum sollen sowohl das Sensordesign als auch die Technologien des mikrotechnischen Herstellungsprozesses weiter optimiert werden. Darüber hinaus werden die Parameter der selbst hergestellten Permanentmagnete in Bezug auf die Beeinflussung der Sensorenkennlinie getestet und bei Bedarf angepasst. Die Abschirmung von Störfeldern stellt einen weiteren Arbeitspunkt dar, der zusammen mit Teilprojekt C1 "Neue Maschinenelemente für Parallelroboter" bearbeitet werden wird.
Die bislang analoge Sensoranregungselektronik soll durch eine leichter an Parameteränderungen anzupassende analog-digitale Schaltung ersetzt werden. Auch der Schaltungsteil zur Aufbereitung des Sensorausgangssignals wird analog-digital ausgeführt und zunächst durch Simulation optimiert. In einem geeigneten Prüfstand werden die Sensoren anschließend charakterisiert.
Die Schaltungsteile werden sowohl im Hinblick auf Integration in das Robotersystem als auch im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit möglichst miniaturisiert, wobei die abschließende Fertigung gegebenenfalls einem gewerblichen Leiterplattenhersteller übertragen wird, um das Optimum an Integration zu erreichen.