Forschung

Teilvorhaben: Entwicklung von modularen 3D-Textilstrukturen für Sensorelemente und Verbindungsstrukturen

BMBF 16ES0915

Abstract

Im Projekt wird eine Roboterplattform entwickelt, die durch ihre neuartige flexible bionische 3D-Sensorhaut („Bionic RoboSkin“) ähnlich der Haut des Menschen fähig ist, sich autonom in ihrem jeweiligen Umfeld zurechtzufinden und Explorations- und Serviceaufgaben auch unter rauen Umgebungsbedingungen selbsttätig erfüllen zu können. Ein dreidimensionales Textil dient als Integrationsplattform für die Komponenten zur Datenkommunikation und andere Bauteile. Der modulare Aufbau des textilen Systems ermöglicht eine einfache Anpassung für unterschiedliche Robotikanwendungen.

The Manta and Dachs robot platforms can find their way around in the respective environment with the innovative, flexible bionic 3D sensor skin (“Bionic RoboSkinden”) and independently carry out exploration and service tasks. A three-dimensional textile serves as an integration platform for components for data analysis and communication. The modular structure of the textile system enables easy adaptation for different robotic application.

Aufgabenstellung

Die „Bionic RoboSkin“ ist eine flexible Technologielösung, die unabhängig von der Beschaffenheit der Umgebung zur Navigation und Exploration zum Einsatz kommen kann. Insbesondere für Gebiete, welche für den Menschen nur schwer erreichbar beziehungsweise zu gefährlich sind, oder in Bereichen mit rauen Umgebungsbedingungen, in denen bisherige Technologien nur begrenzt eingesetzt werden können, werden die neuen teilautonomen Robotiklösungen „Manta“ und „Dachs“ entwickelt. Diese Entwicklungen sind speziell für den Einsatz unter Wasser und zu Land konzipiert. Das Teilprojekt des TITV Greiz konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von 3D-Textilien, die Integration von leitfähigen Strukturen und Sensormodulen in die textilen Flächengebilde sowie auf Prüfungen für den Gebrauch und die Zuverlässigkeit der textilintegrierten Elektronik und Sensorik. Alle elektrischen Verbindungen und Kontakte werden dabei durch Verkapselungen so ausgelegt, dass sie bei Seewassereinsatz für mindestens zwei Jahre zuverlässig arbeiten.

Die Anwendung der Sensorhaut wird anhand der zwei Servicerobotik-Anwendungen demonstriert. Die autonom arbeitende Unterwasser-Einheit „Manta“ erhält eine Haut, die mittels Magnetfeldmessungen metallische Strukturen aufspüren und kartographieren kann. Gleichzeitig ist eine Kommunikation durch textiltechnologisch integrierte Touchsensoren mit den beteiligten Tauchern möglich. Die teilautonome Einheit „Dachs“ dient der Vermessung von Bodenstrukturen mittels Messung statischer Magnetfelder und hochfrequenter elektromagnetischer Pulse.

Lösungsweg

Ein Entwicklungsschwerpunkt im Teilvorhaben des TITV Greiz beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung der textilen Sensorhaut und der Integration leitfähiger Strukturen und Sensoren sowie deren Kontaktierung.

Ausgehend vom Einsatzgebiet und den definierten Aufgaben der textilen Sensorhaut werden Anforderungen an die textile 3D-Grundstruktur, das eingesetzte leitfähige Material und die textiltechnologischen Verarbeitungsparameter gemeinsam mit den Projektpartnern definiert. Diese sind beispielsweise:

• Multidirektional elastisch/dehnbar
• Langzeitstabil gegenüber Umwelteinflüssen wie bspw. UV-Strahlung und Meerwasser
• Geringes Wasseraufnahmevermögen
• Partielle Dichtheit, um Druckausgleich unter Wasser zu ermöglichen
• Verarbeitbarkeit der leitfähigen Materialien auf Textilmaschinen

Für die Herstellung der textilen 3D-Strukturen werden Abstandsgewirke eingesetzt. So können textile Strukturen mit einer definierten Dicke und Elastizität hergestellt werden. Elektronische Leitungen und Bauteile werden mechanisch sicher und dauerhaft integriert. Mit der Materialauswahl werden auch die Anforderungen an Haltbarkeit und Stabilität erfüllt.

Zur Funktionalisierung der 3D-Struktur werden leitfähige Strukturen und Sensorelemente sticktechnisch appliziert. Das ermöglicht ein freies, formenunabhängiges Platzieren der Leiterstrukturen und der elektronischen Bauteile.

Das Konsortium hat sich für einen mehrlagigen Aufbau der Robotikhaut entschieden. Eine äußere Textillage (ohne elektrische Funktion) dient als mechanische Schutzschicht. Unter dieser werden in einer separaten Funktionsschicht das Bussystem zur Kommunikation und die textilen Sensorelemente integriert. Besonderer Vorteil dieser neuartigen flächigen Sensoren ist, dass sie die Sensitivität des Systems erhöhen und ein großes Sichtfeld garantieren, wodurch eine effiziente Vermessung großer Areale ermöglicht wird.

Projektbegleitend werden textilphysikalische Untersuchungen zur Spezifikation der Fäden und der textilen Flächen durchgeführt. Im Rahmen der Fadenauswahl werden z. B. Fadenfestigkeit und Fadenfeinheit nach DIN EN ISO 2062, Höchstzugkraftdehnung und feinheitsbezogene Höchstzugkraft nach DIN 53834 geprüft.

Die verschiedenen Layouts der 3D-Kettengewirke, welche im Pilotmaßstab und Industriemaßstab hergestellt werden, werden sowohl als Rohware als auch als veredelte Fertigware u. a. hinsichtlich:

• Flächenmasse nach DIN EN 12127;
• Maschendichte nach DIN EN 14971;
• Dicke nach DIN EN ISO 5084;
• Elastizität nach DIN EN 14704-1

  geprüft.

Das ist einerseits wichtig, um die spezifizierten Anforderungen an die bionische Haut zu gewährleisten und andererseits liefern die Prüfwerte wichtige Vorgaben für die Übertragung nachfolgender Prozesse, wie z. B. der Veredelung vom Pilotmaßstab in den Industriemaßstab.

Die Prüfungen der Funktionselemente, zu denen textile Leiterbahnen und textilbasierte Sensoren und deren Verbindung gehören, werden im Smart-Textiles-Prüflabor des TITV Greiz durchgeführt.

Neben der Zuverlässigkeitsprüfung für einzelne elektrische Zuleitungen werden kombinierte Prüfungen einer Belastung und dem dazugehörigen Funktionsmonitoring durchgeführt. Im Falle der Roboterhaut sind dies vor allem mechanische Belastungen, also die zyklische Bewegung der Haut, und das Monitoring des elektrischen Widerstandes der Leiterbahnen, der Signalqualität (vermindert durch z. B. Artefakte), der Stabilität von Kontaktstellen und der Beeinflussung durch Querempfindlichkeiten zu den Umgebungsbedingungen (z. B. Seewasser).

Abb. 1: Funktionstest Robotikeinheit „Manta“

mit sensorierter Unterhaut im Wasserbecken, mit Außenhaut nach dem Einsatz, Funktionstest – Touchsensor

Ergebnis und Anwendungen

Das TITV Greiz hat seine Expertise in der Herstellung von funktionalisierten 3D-Textilien und der Integration von textilbasierter Sensorik für die Anwendung unter Extrembedingungen im Projekt weiter ausgebaut.

In einem Praxistest sind beide Systeme getestet worden. Die entwickelte funktionelle 3D-Sensorhaut erfüllt die in der Aufgabenstellung aufgezeigten Möglichkeiten für die beiden Anwendungsbereiche von Manta und Dachs. Durch den modularen Aufbau können die Ergebnisse/Baugruppen auch auf andere Systeme übertragen werden.

 Abb. 2: Funktionstest im Gelände

Robotikeinheit „Dachs“, Grafik aus Testfahrt „Metalldetektion“ im Gelände, Rohdaten mit Signalüberhöhungen bei Fund

Projektkonsortium:  EvoLogics GmbH, Berlin

                                    Fraunhofer IZM, Berlin

                                    Sensorik Bayern GmbH (SBG), Regensburg

                                    GEO-DV GmbH, Stendal

                                    BalticTaucher GmbH, Rostock

Vielen Dank an alle Projektpartner für die konstruktive und gute Zusammenarbeit.

Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die finanzielle Förderung des Projektes Bionic RoboSkin, die als Zuwendung aus dem Bundeshaushalt erfolgte, sowie dem Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH für die Unterstützung.