Fühler für Insektenroboter soll Orientierung ermöglichen

Nachbau: Prinzipien aus der Natur verwendet

Viele Insekten ertasten ihre nähere Umgebung mit beweglichen Fühlern. Dieses aktive Erkennen von Objekten im Raum haben Forscher in einen neuen, mechatronischen Sensortyp umgesetzt. Er könnte bald mobile Roboter bei ihrer Orientierung unterstützen.

Wenn Menschen im Finstern durch einen unbekannten Raum gehen, strecken sie automatisch die Arme aus und verlassen sich auf ihren Tastsinn. Zusätzlich die Arme zu bewegen verringert die Gefahr, gegen ein Hindernis zu stoßen. Insekten haben dieses Prinzip optimiert: Mit langen Fühlern tasten sie in kreisenden Bewegungen ihre Umgebung ab und finden sich dadurch selbst im unwegsamen Gelände zurecht. Stabheuschrecken etwa hangeln sich auf diese Weise durch das Geäst.

Ähnlich wie eine Stabheuschrecke erkennt der Laufroboter Tarry mit seinen Fühlern die räumliche Position von Hindernissen. © V. Dürr/Uni Bielefeld

Einen technischen Tastsensor nach diesem Vorbild entwickelten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg und der Universität Bielefeld. Er liefert mehr Informationen über sein Umfeld als herkömmliche Tastsensoren und ist robuster und preiswerter als optische Messverfahren, die mit Kameras arbeiten.

Ein Prototyp des künstlichen Fühlers ist zurzeit an einem autonom laufenden Insektenroboter der Universität Bielefeld installiert. Zwei Motoren veranlassen den Stab zu oval kreisenden Bewegungen. An der frei schwingenden Spitze sitzt ein Beschleunigungssensor. Anders als herkömmliche Tastsensoren, die nur an der Spitze auf Druck reagieren, lässt sich der Fühler auf seiner ganzen Länge als Sensor nutzen. Abhängig von dem Punkt, an dem der Fühler einen Gegenstand berührt - etwa in der Mitte oder im vorderen Drittel - misst der Sensor an der Spitze eine andere Schwingungsfrequenz.

"Ist das Hindernis nah am Sensor, so ist die Frequenz hoch. Wenn es weit entfernt ist, schwingt die Spitze langsamer", erklärte Oliver Lange vom IFF das Messprinzip, "ganz ähnlich wie bei einem Lineal, das an einem Ende am Tisch festgehalten wird und mit dem anderen frei schwingen kann."

Frequenz und Steuersignale der Motoren - also der Winkel des Stabs zum Zeitpunkt der Berührung - liefern die Position des Hindernisses im Raum. "Mit einer Feedback-Schleife könnte der Sensor nach einem ersten Kontakt sogar sein Tastverhalten ändern und die Umgebung in einer Ecke genauer erforschen", sagte Lange. "Das hätte den Vorteil, dass nur dann viele Daten anfallen, wenn eine Begegnung stattfindet."

Der Prototyp des Tasters ist in seiner Reichweite und Bewegung genau auf den Insektenroboter zugeschnitten. Das zum Patent angemeldete Prinzip lasse sich aber einfach auf andere Anwendungen übertragen und auf die jeweiligen Anforderungen anpassen, meinte der Forscher. "Man könnte etwa mobile Roboter mit dem Sensor ausstatten", schlägt Lange vor, "denn gerade in staubigen oder schmutzigen Umgebungen versagen viele optische Sensoren und Kamerasysteme."