Fühlende Roboter – nicht nur im Exoskelett

Sensorsystem

Roboterhaut fühlt für das Exoskelett

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Sensorik | Mit einer Vielzahl untereinander verbundener Sensoren erhält der Roboter einen nicht-visuellen „Einblick“ in seine Umwelt. Das schafft Sicherheit beim industriellen Einsatz und neue Möglichkeiten für Exoskelette oder andere Therapieformen.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Wenn eine Feder an Tomms Arm entlangstreicht, wird er rot – denn seine Haut ist sensibel. Obwohl er nur eine Maschine ist, genauer gesagt ein Roboter in einem Forschungsinstitut, bekommt er viel mit von dem, was um ihn herum passiert: Seine mit Sensoren ausgestattete Oberfläche merkt, ob es warm ist oder kalt, ob und an welcher Stelle es drückt, ob sich etwas oder jemand in der Nähe bewegt – oder näherkommt.

Entwickelt wurde Tomms künstliche Haut am Institut für Kognitive Systeme (ICS) der Technischen Universität München, in der Gruppe von Prof. Gordon Cheng. Die vielen Sensoren und die zugehörige Elektronik der „Roboterhaut“ sind in wabenförmigen Elementen untergebracht, die sich zu ausgedehnten Matten verbinden lassen. Eine Elastomerhülle schützt sie und ermöglicht es, sie auch auf gebogenen Flächen wie Tomms Arm anzubringen.

Roboterhaut bei der WM im Exoskelett eingesetzt

Die Idee zur Roboterhaut entstand im Grenzbereich zwischen dem, was man üblicherweise als Roboter bezeichnet, und dem, was eine medizinische Prothese ist: Die Wissenschaftler haben sich im Projekt Walk Again schon vor Jahren mit Exoskeletten beschäftigt, die Querschnittsgelähmten das Laufen ermöglichen sollten. Ein medienwirksames Beispiel dafür, was damit zu erreichen ist, war die Eröffnung der Fußball-WM 2014 in Brasilien, als ein Patient mit Exoskelett den ersten Ball im Stadion kickte. An den Sohlen dieses Exoskeletts „fühlte“ die Roboterhaut, ob der Fuß auf dem Boden oder gerade in der Luft unterwegs war und gab dem Patienten eine Rückmeldung am Oberarm.

Ohne Rückmeldung von den Füßen stolpert der Roboter

„Wir haben schon 2008 festgestellt, dass der sichere aufrechte Gang eine solche Rückmeldung erfordert“, berichtet Prof. Cheng. Das gelte sowohl für humanoide Roboter als auch für Exoskelette – ohne Rückmeldung über den Zustand der Füße neigen beide Systeme zum Stolpern.

Wobei das schlichte Wort Rückmeldung eine Untertreibung ist, denn das, was so eine Sensorhaut millisekündlich alles misst, erzeugt riesige Datenmengen. Um diesen Berg abzuarbeiten, beginnt die Auswertung gleich an Ort und Stelle. Die Elektronik rund um die Sensoren ist so aufgebaut, dass sie mit Hilfe spezieller Algorithmen die gemessenen Werte analysiert und nur einen Bruchteil weitergibt. Das Wichtige erreicht dann binnen 4 ms die künstliche Steuerzentrale und hilft, den Roboter zu stabilisieren. Zum Vergleich: Bis ein Mensch am Schmerz merkt, dass man ihn gerade in den Arm zwickt, vergehen 6 ms.

Exoskelett liefert Rückmeldung über Vibrationen am Arm

Was für die Maschine einfacher klingt, als es umzusetzen war – die Forscher haben damit Jahre verbracht –, war für den Einsatz im Exoskelett eine echte Herausforderung. Denn mit rund 160 der sechseckigen Elementarzellen die Daten zu messen, ist das eine, aber dem menschlichen Gehirn eines querschnittsgelähmten Patienten nahezubringen, was da gemessen wurde, etwas ganz anderes. „Wir haben anfangs nicht gewusst, ob unsere Idee, ein taktiles Feedback am Arm des Patienten zu geben, zu den erwünschten Ergebnissen führen würde“, sagt Cheng.

Die Beobachtungen waren am Ende aber sogar erheblich besser als gedacht: Zwar war ein Training erforderlich, bis die Probanden das mit kleinen Motoren erzeugte Vibrieren am Arm wie von selbst mit dem Geschehen am Boden in Verbindung brachten. Dann aber hatte ihr Gehirn diese Informationen fest miteinander verknüpft, das Feedback funktionierte, sie berichteten, dass sie die Schritte des Exoskeletts als ihre eigenen empfanden.

Das Gehirn bildet sogar neue Nervenverbindungen

Und nicht nur das, wie Cheng erklärt: „Wir haben festgestellt, dass das Gehirn tatsächlich so plastisch ist, dass es durch das Training mit dem Exoskelett und dem Vibrieren am Arm sogar neue Nervenverbindungen aufbaut, die den Patienten auch andere Empfindungen aus den Beinen wieder übermitteln konnten.“

Anwenden lassen sich solche Erkenntnisse nun in verschiedener Hinsicht. Dazu gehört der Einsatz der Sensorhaut im industriellen Umfeld, wo viel darüber geforscht wird, wie sich die Tätigkeiten von Robotern enger mit denen der Menschen zusammenlegen lassen. Hier ist der fühlende Roboter ein Sicherheitsfaktor für den Menschen an seiner Seite: Bisher konnte die Maschine nur oder vor allem über Bildverarbeitungssysteme erfahren, ob oder was in ihrem Umfeld ist – oder Bremsen, sobald sie damit in Kontakt kamen. Mit der künstlichen Haut weiß der Roboter schon früher Bescheid und stoppt, wenn er sich überraschend einer Sache oder einer Person nähert – bevor es zu einem physischen Kontakt kommt.

Roboterhaut im Einsatz bei der Therapie multipler Sklerose

Doch auch im medizinischen Bereich gibt es weitere Ansatzpunkte. Brasilien war zwar in gewisser Weise eine Krönung der bis dahin gelaufenen Forschungsarbeiten, aber längst nicht der Abschluss. Laut Cheng gibt es selbst hier noch viel zu tun und zu verbessern. Und über die Exoskelette für Querschnittsgelähmte denkt er längst weit hinaus. Der Austausch mit Prof. Bernhard Hemmer, der die Abteilung Neurologie an der Uniklink der TU München leitet, führte zum Beispiel zu Überlegungen, wie sich die Roboterhaut auch für die Therapie bei Patienten mit Multipler Sklerose einsetzen lässt.

Wenn diese Krankheit die Sinne beeinträchtigt und nicht mehr fühlbar ist, wohin man seine Füße setzt, können die Patienten sich mitunter nur noch dann bewegen, wenn sie die Umgebung sehen – mit geschlossenen Augen oder im Dunkeln würden sie stolpern oder fallen. Cheng vermutet, dass eine Kombination aus Neurofeedback und unterstützender Robotik helfen könnte, auch bei diesen Patienten die Einschränkungen auszugleichen, die die Multiple Sklerose in den Nervenzellen verursacht.

Das Exoskelett war nur der Anfang

Doch auch das ist noch nicht das Ende für die Zukunftspläne. Chengs Fernziel: Er möchte einen Ganzkörperanzug aus künstlicher Haut entwickeln, damit Menschen mit neurologischen Störungen zu einem normalen Leben zurückzukehren können. Seine Ideen hat er dem interessierten Publikum im Juni in Berlin beim Hauptstadtkongress Medizin und Gesundheit schon mal vorgestellt.

Den neuen Ideen unvoreingenommen begegnen

Für die Zusammenarbeit mit dem Gesundheitsbereich wünscht sich Cheng vor allem Unvoreingenommenheit bei Ärzten und Patienten, was das Annehmen neuer Methoden und Technologien angeht. „Die Entwicklungen sind teilweise rasant, so dass sich jeder fragen muss, möchte ich dies oder jenes tun oder nicht?“, sagt Cheng. Bis jetzt aber seien die meisten Reaktionen sehr positiv gewesen, und der Forscher ist optimistisch: „Ich hoffe, dass dies auch in Zukunft so bleibt.“


Details zur sensiblen Roboterhaut

Die Basiseinheit der Roboterhaut ist ein flaches, sechseckiges Paket elektronischer Komponenten. Es enthält einen energiesparenden Mikroprozessor sowie Sensoren, die Berührungsnähe, Druck, Vibration, Temperatur und sogar Bewegung im dreidimensionalen Raum erfassen. Beliebig viele „Zellen“ können vernetzt werden.

Ihre Zusammenarbeit untereinander und mit dem Zentralsystem erlaubt der Haut, sich für spezifische Anwendungen zu rekonfigurieren und sich von bestimmten Arten von Schäden automatisch zu erholen. Das ermöglicht eine intelligente, sichere Interaktion von Maschinen mit Menschen, sowie die schnelle Einrichtung von Industrierobotern – wie zum Beispiel in dem EU-geförderten Projekt „Factory in a Day“. Die Zahl der Sensorzellen, die für einen Roboter eingesetzt werden, bewegt sich dabei zwischen 600 derzeit pro Roboter genutzten und 2500 zukünftig geplanten.

Im Walk-Again-Projekt wird die Roboterhaut auf zweierlei Arten verwendet. In die Fußsohlen des Exoskeletts integriert, sendet sie Signale an kleine Motoren, die dann an den Armen des Patienten vibrieren. Durch Training mit dieser indirekten sensorischen Rückmeldung kann ein Patient lernen, die Roboter-Beine und Füße in seine eigenen Körperschemata zu integrieren. Darüber hinaus wird Roboterhaut um Körperteile des Patienten gewickelt, um eventuelle Anzeichen von Stress zu zeigen.

Künftige Entwicklungen sollen geeignete Werkstoffe für eine flexiblere Haut sein
sowie die Miniaturisierung. Derzeit ist ein japanischer Experte für gedruckte und dehnbare Elektronik sowie Softrobotik für drei Jahre als Gastwissenschaftler am Institut tätig.

Zum Institut für Kognitive Systeme: www.ics.ei.tum.de

In den Sohlen des Exoskeletts untergebrachte Sensorzellen melden, ob der Fuß Bodenkontakt hat oder nicht
Bild: Walk Again Project / TUM

Mehr Sensoren für Roboter

  • Forscher vom Department Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der ETH Zürich haben einen hochempfindlichen und zugleich flexiblen Temperatursensor entwickelt, der demnächst in Prothesen und Roboterarmen Verwendung finden könnte. Inspiriert wurde das Projekt von Schlangen, die mit ihrem Temperatursensor die Beute bei Nacht orten. Die Forscher verwenden für ihre Lösung die biegsame pflanzliche Substanz Pektin. Deren elektrische Leitfähigkeit ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur, was eine Messung ermöglicht. Von 10 bis 50 °C kann der etwa 100 µm dicke Pektin-Film Temperaturen mit einer Genauigkeit von einem Hundertstel Grad messen. Das ist vergleichbar mit der Empfindlichkeit einer Grubenotter und doppelt so empfindlich wie die menschliche Haut.
  • Das Magdeburger Fraunhofer IFF entwickelt und fertigt taktile Sensorsysteme, deren Herzstück Messwandler auf Basis piezoresistiver Polymerkomposite sind. Das resistive Messprinzip, das sich damit realisieren lässt, ermöglicht es – mit einem patentierten Matrixaufbau – Druckverteilungen ortsaufgelöst zu erfassen. Wie gut sich diese für die sichere Kollisionsdetektion bei der Mensch-Roboter-Interaktion eignen, wurde bis Sommer 2016 im Projekt Taksens untersucht, in dem auch ein Demonstrator entwickelt wurde.
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