Elektrische Widerstands- und Kapazitätstomografie. Methoden zur Abstands- und Kraftmessung für kollaborierende Roboter

In vielen Bereichen wie der Industrie, der Medizin und auch dem privaten Umfeld sind automatisierte Geräte und Roboter kaum mehr wegzudenken. Für die sichere Mensch-Roboter-Interaktion sollte es möglich sein, erlaubte direkte Berührungen zu lokalisieren und Kontaktkräfte zu bestimmen. Jeder noch so kleine unbeabsichtigte Kontakt zwischen Mensch und Roboter sollte hingegen vermieden werden. Dazu ist neben der Erkennung bereits erfolgter Berührungen auch die Überwachung sich nähernder Aktionen notwendig. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines verteilten Sensorsystems, welches gleichzeitig als Näherungssensor mit einstellbarem Messbereich und als ortsauflösender Kraft- beziehungsweise Drucksensor arbeiten kann. Dies wird durch die Kombination von Widerstands- und Kapazitätstomografie erreicht. Das Sensorsystem besteht aus einer entsprechend strukturierten, leitfähigen Kunststoffschicht mit angebrachten Elektroden. Das System ist als multifunktionale, einschichtige, künstliche Haut für Roboter angedacht. Zur Lokalisierung eines sich nähernden Objekts wird die Kapazitätsdichteverteilung auf der Oberseite der Kunststoffschicht geschätzt. Aus dieser Kapazitätsdichteverteilung kann in weiterer Folge der Abstand und der Ort der Annäherung berechnet werden. Die Widerstandstomografie wird aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften der Schicht zur ortsaufgelösten Kraftmessung verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Hardware erlaubt es dem Sensorsystem sowohl die elektrische Kapazitätstomografie als auch die elektrische Widerstandstomografie zeitgleich durchzuführen. Dazu wird dem zur Widerstandstomografie notwendigen Anregesignal das zur Kapazitätstomografie notwendige Anregesignal überlagert. Zur Messung der Wechselspannungen werden Lock-In Verstärker verwendet. Die Rekonstruktion der Kapazitätsdichte- und Leitfähigkeitsverteilung erfolgt über das Newton Einschrittverfahren und den Tikhonov Regularisierungen der inversen Probleme. Schlagwörter: Kraftlokalisierung, Abstandsmessung, Impedanztomografie.