Artificial Skin in Robotics

Artificial Skin in Robotics A Comprehensive Interface for System-Environment Interaction zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften der Fakultät für Informatik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) genehmigte Dissertation von Michael Strohmayr aus Augsburg Tag der mündlichen Prüfung: 14. Juni 2012 Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerd Hirzinger ii Eigenständigkeitserklärung Ich versichere wahrheitsgemäß, die Dissertation bis auf die dort angegebenen Hil- fen selbständig angefertigt, alle benutzten Hilfsmittel vollständig und genau angegeben und alles kenntlich gemacht zu haben, was aus Arbeiten anderer und eigenen Veröffentlichungen unverändert oder mit Änderungen entnommen wurde. München, den 26. April 2012 Michael Strohmayr iv Acknowledgments This thesis summarizes my research towards an artificial skin for robotic systems. The studies have been conducted during my time at the German Aerospace Center (DLR), Institute of Robotics and Mechatronics. I want to thank all who have given time, assistance and patience so generously. I would like to express my sincere gratitude to Prof. Dr.-Ing. Gerd Hirzinger for his trust and the opportunity to work under the most inspiring research conditions possible. The unique culture and open-mindedness at the institute made this thesis possible in the first place. My special thanks go to Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn, head of the Institute for Pro- cess Control and Robotics, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), for his advice and guidance during the composition of this thesis. I would like to thank all fellow researchers and friends for the fruitful discussions, constructive criticism and proofreading of the manuscript. Special thanks to Tim Bodenmüller, Ulrich Seibold, Ulrich Hagn, Robert Haslinger, Patrick Leyendecker, Michael Suppa, Georg Passig, Florian Fröhlich, Erhard Krampe, Klaus Schlicken- rieder, Björn Ernst, Thomas Haase and Andrea Strohmayr. Sincere thanks to Erhard Krampe, Clemens Trumm and Stefan Rist for the constant support and advice with respect to materials and polymer processing. Thanks to Holger Urbanek for the support during countless hours of interfacing hardware to readout facilities as well as for the splendid photographs. Thanks to Matthias Krauß for the support with the FEM analysis of the different sensor con- cepts. Thanks to Christian Pfeiffer, Florian Schnös, Denis Schneider and Christian Leupolz who have, during diploma and bachelor theses, implemented testbeds and conducted experiments that have become substantial elements of this thesis. Moreover, I am indebted to my beloved partner Miriam Schweiger for her patience, constant encouragement, fabulous nutrition, proofreading and the uncomplaining endurance of many weekends full of work. Last but not least, I would like to thank my family for their optimism, trust and unconditional support – I.O.U v vi Zusammenfassung Die Roboter kommen1 - damit ist nicht eine martialische Invasion durch Roboter wie in der Science Fiction gemeint, sondern die Entwicklung, dass moderne Robo- tersysteme zunehmend ihren abgeschotteten Arbeitsraum verlassen und auch phy- sikalisch mit dem Menschen interagieren. Entfallen die räumlichen Barrieren zwischen dem Arbeitsraum des Menschen und dem des Robotersystems, müssen neue Sicherheits- und Bedienkonzepte für die physikalische Interaktion entwickelt werden. Es muss sichergestellt werden, dass beispielsweise bei der gemeinsamen Mon- tage innerhalb einer Fahrzeugkarosserie oder bei der Zusammenarbeit in der Enge eines Operationssaals keine Gefahren entstehen. Sensorik ist dabei der Schlüssel um Veränderungen der Umgebung und Aktionen des Menschen zu erfassen. Ein Teilaspekt dabei ist das Erkennen des direkten physikalischen Kontakts des Robo- ters mit seiner Umgebung bzw. mit dem Menschen. Um die Sicherheit von Mensch und Roboter zu gewährleisten, ist eine lückenlose Überwachung der Außenhülle des Robotersystems auf Kontakte wünschenswert. Eine vielversprechende Lösung hierfür sind taktile Sensoren, die direkt auf der Außenhülle des Robotersystems angebracht sind. Die Messdaten taktiler Sensoren können genutzt werden, um beispielsweise adäquat auf eine Kollision zwischen Medizinroboter und Patient zu rea- gieren oder um eine intuitive Interaktion bei Montageaufgaben zu ermöglichen. Eine Herausforderung für die Entwicklung taktiler Sensoren ist die Adaption auf komplexe, oftmals mehrfach gekrümmte Oberflächen, die mit den derzeit verfügba- ren taktilen Sensoren nicht, oder nur unzureichend, möglich ist. Die Analyse des Standes der Technik zeigt, dass die verwendeten Materialien und Herstellungsver- fahren die Mehrzahl der verfügbaren taktilen Sensorsysteme auf die Anwendung auf planaren oder einfach gekrümmten Oberflächen beschränken. Agieren Robo- ter in der unstrukturierten und zeitveränderlichen Umgebung des Menschen, sind Kollisionen nicht immer vermeidbar. Daher muss u.a. die Oberfläche des Roboter- systems so gestaltet sein, dass die Folgen einer Kollision abgeschwächt werden. Eine nachgiebige mechanische Dämpfungsschicht auf der Oberfläche des Roboters 1Titel des Ressorts Wissen, Die Zeit in der Ausgabe N° 4 vom 19. Januar 2012 vii viii ist eine denkbare Lösung. Um die Feinfühligkeit der taktilen Sensoren durch die Dämpfungsschicht nicht zu beeinträchtigen ist es vorteilhaft, die Sensorelemente außen auf der Dämpfungsschicht zu integrieren. Als Konsequenz müssen jedoch solche taktilen Oberflächensensoren – um bei Kollisionen nicht zerstört zu werden, elastisch verformbar und überlastfest gestaltet sein. Zentraler Aspekt bei der Entwicklung von taktilen Sensorsystemen war in der Vergangenheit meist die Fein- fühligkeit sowie eine möglichst hohe räumliche Auflösung. Aspekte wie die spätere Integration in ein Robotersystem und die Überlastsicherheit wurden oft vernach- lässigt. Wird hingegen die Entwicklung auf Robustheit hin ausgerichtet, so fehlt es den resultierenden Sensorsystemen zumeist an der nötigen Feinfühligkeit. Der Stand der Forschung zeigt eindrucksvoll, dass isoliert betrachtet jede einzelne der gewünschten Eigenschaften optimiert erreicht werden kann – nicht jedoch deren Kombination. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Lösung des Zielkonfliktes zwischen hoher Messempfindlichkeit und mechanischer Robustheit. Angelehnt an die Funktionalität der menschlichen Haut sollen – neben den multimodalen senso- rischen Eigenschaften – mechanische Verformungs- und Dämpfungseigenschaften realisiert werden, sowie die Einflüsse eines solchen Oberflächensensorsystems auf die Thermoregulation berücksichtigt werden. Ausgehend von der Analyse des Stan- des der Technik und den aktuellen Forschungsarbeiten, sowie den Ergebnissen ei- gener Vorarbeiten werden Entwurfsparadigmen vorgeschlagen, welche die Lösung des Zielkonflikts zwischen Messempfindlichkeit und Robustheit erleichtern. Die Entwicklung sowie die Struktur der Arbeit sind an die in VDI-Richtlinie 2206 vor- geschlagene Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme angelehnt. Hierin wird das V-Modell aus dem Softwareengineering auf die Entwicklung mechatroni- scher Systeme angepasst. Im Rahmen des Systementwurfs wird ein Gesamtkonzept für eine skalierbare künstliche Haut für Robotersysteme erarbeitet, sowie ein inno- vatives Konzept für die benötigte Sensordatenverarbeitung vorgeschlagen. Neben der Skalierbarkeit von Sensorfläche, räumlicher Auflösung und Messempfindlich- keit, wird die Skalierbarkeit der benötigten Herstellungsverfahren berücksichtigt. Angelehnt an die Partitionierung in der Softwareentwicklung wird das gewünschte Funktionsspektrum der künstlichen Haut in parametrierbare funktionale Kompo- nenten unterteilt. Während des domänenspezifischen Entwurfs werden – basierend auf der integrativen Entwicklung von maßgeschneiderten Materialien und skalier- baren Herstellungsverfahren – Lösungen für die Umsetzung der einzelnen funktio- nalen Komponenten erarbeitet. Beispielsweise werden neuartige elektrisch leitfähi- ge Leiterbahnen auf Polymerbasis entwickelt, um die geforderte elastische Verform- barkeit der Sensorfläche zu ermöglichen. Die Eigenschaften des geplanten Gesamt- systems können durch die Modellbildung und Simulation der einzelnen funktiona- ix len Komponenten abgeschätzt werden. Für die Verifikation der gewünschten Eigen- schaften wird, da derzeit kein standardisiertes Testverfahren für taktile Sensoren zum Einsatz auf Robotersystemen existiert, ein im Rahmen dieser Arbeit entwi- ckeltes einfaches Testverfahren verwendet, welches erstmalig eine Vergleichbarkeit unterschiedlicher taktiler Sensorsysteme ermöglicht. Im Rahmen der Systeminte- gration wird exemplarisch ein taktiler Oberflächensensor mit Auswerteelektronik zur Erfassung von Normalkräften realisiert. Hierzu werden die benötigten funk- tionalen Komponenten kombiniert, sowie die erforderlichen Herstellungsprozesse und Materialien erprobt und prototypisch umgesetzt. Die Prototypen der künstli- chen Haut werden auf einem eigens entwickelten Teststand identifiziert und deren Praxistauglichkeit anhand von Versuchen zur Kollisionsdetektion mit einem DLR Leichtbauroboter demonstriert. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass mit dem vorgeschlagenen Gesamtkonzept eine bezüglich Sensorfläche, räumlicher Auflösung und Messempfindlichkeit skalierbare künstliche Haut für Robotersys- teme realisiert werden kann. Die Prototypen und Experimente zeigen, dass diese künstliche Haut auf mehrfach gekrümmten, nachgiebigen Oberflächen eingesetzt werden kann und der Zielkonflikt

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