Sensoren und Aktoren sind wichtige Bestandteile eines Roboters. Sie ermöglichen dem Roboter die Interaktion mit seiner Umgebung, indem physikalische Größen durch die Sensorik gemessen und physikalische Effekte, wie beispielsweise mechanische Bewegungen, durch die Aktorik erzeugt werden.
Sensoren sind die Sinnesorgane des Roboters – beispielsweise Kameras, Mikrofone, Radar, LiDAR oder auch Thermometer. Aktoren hingegen entsprechen den Muskeln – beispielsweise Elektromotoren, die die Arme bewegen.
Im Folgenden werden die grundlegenden Wirkprinzipien der am Markt verfügbaren Sensoren und Aktoren, die in der Servicerobotik zum Einsatz kommen, erläutert und diese entsprechend ihrer Wirkprinzipien, Messgrößen und Wirkungsarten klassifiziert.
Sensoren
Ein Sensor ist ein Gerät, das eine Messgröße in ein elektrisches Signal umwandelt. Neben der Messgröße (Was wird gemessen?) sind die Wirkprinzipien (Wie wird gemessen?) charakteristisch für den Sensor. Die Wirkprinzipien beschreiben, welche physikalischen Effekte genutzt werden, um eine Messgröße in ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Sensoren lassen sich neben den Messgrößen und den Wirkprinzipien noch auf viele weitere Arten gruppieren oder unterscheiden. Unter anderem lassen sich Sensoren in aktive und passive Sensoren aufteilen. Aktive Sensoren benötigen eine externe Stromquelle, während passive Sensoren ohne diese auskommen. Eine weitere Unterscheidungsmöglichkeit ist die zwischen absoluten und relativen Sensoren. Absolute Sensoren verwenden eine absolute Skala, während relative Sensoren einen Wert relativ zu einem anderen Wert messen (beispielsweise eine Temperaturdifferenz). Zusätzlich kann zwischen direkten und indirekten Sensoren unterschieden werden. Bei einem direkten Sensor wird die Messgröße direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt, während bei einem indirekten Sensor mehrere sequentielle Umwandlungen von physikalischen Größen notwendig sind.
Darüber hinaus lassen sich Sensoren anhand ihrer Charakteristiken und Eigenschaften wie Genauigkeit, Auflösung, Empfindlichkeit und Messbereich unterscheiden. Im Folgenden werden die Sensoren anhand ihrer physikalischen Messgrößen und Wirkprinzipien gruppiert.
Physikalische Messgrößen
Neben den physikalischen Messgrößen gibt es auch biologische und chemische Messgrößen, die jedoch in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt werden, da sie keine direkte Relevanz für die Servicerobotik haben. Die physikalischen Messgrößen werden in folgende Übergruppen unterteilt:
Akustisch: Messung von Schallwellen und Schalldruck (beispielsweise mit Mikrofon) Elektromagnetisch: Messung elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Größen wie zum Beispiel die Magnetfeldstärke (z. B. mit Hall-Sensoren) Mechanisch: Messung von Bewegung, Kräften, Momenten und Deformationen (z. B. mit Beschleunigungssensoren, Kraftsensoren oder Dehnungsmessstreifen) Optisch: Messung von Lichtintensität, -wellenlänge und -polarisation (z. B. mit Kameras oder Photodioden) Thermisch: Messung der Temperatur (z. B. mit Thermometern)
Weitere Kategorien, wie etwa Strahlungsgrößen, bleiben in dieser Auflistung unberücksichtigt, da sie für die Servicerobotik nicht von Bedeutung sind.
Physikalische Wirkprinzipien
Die physikalischen Wirkprinzipien, auf denen die Sensoren beruhen, sind vielfältig. Hierzu gehören unter anderem:
Änderung des elektrischen Widerstands Induktion Änderung der Kapazität Piezoelektrischer Effekt Hall-Effekt Thermoelektrischer Effekt Optische Effekte wie der photovoltaische Effekt und der photoelektrische Effekt
Diese Effekte werden im Folgenden kurz erläutert.
Änderung des elektrischen Widerstands
Sensoren, die auf dem Wirkprinzip der Änderung des elektrischen Widerstandes beruhen, werden als resistive Sensoren bezeichnet. Zu dieser Kategorie gehören Potentiometer, resistive Dehnungsmessstreifen und sensitive Sensoren wie temperatursensitive, lichtsensitive und magnetosensitive Sensoren. All diese Sensoren haben gemeinsam, dass eine Änderung der zu messenden Größe eine Widerstandsänderung bewirkt. So werden mit einem Potentiometer Winkel und Längen gemessen, indem die Position eines beweglichen Kontakts entlang eines Widerstandselements geändert wird. Bei einem resistiven Dehnungsmessstreifen führt die mechanische Verformung zu einer Änderung des Widerstands. Hiermit können neben Winkeln und Längen auch zum Beispiel Kräfte gemessen werden, da eine Krafteinwirkung auf einen Kraftsensor, der auf diesem Prinzip beruht, zu einer kleinen mechanischen Verformung der Dehnungsmessstreifen führt und dadurch die entsprechende Kraft gemessen werden kann. Bei den sensitiven Sensoren ändert sich der elektrische Widerstand aufgrund von physikalischen Reizen wie die Änderung der Temperatur, die Änderung der Lichtintensität oder eines Magnetfeldes.
Induktion
Induktive Sensoren nutzen elektromagnetische Induktion, um physikalische Größen zu messen. Elektromagnetische Induktion bezeichnet die Erzeugung einer elektrischen Spannung durch eine Änderung der magnetischen Flussdichte eines Magnetfeldes. Dies kann zum Beispiel gemessen werden, wenn ein Magnet durch eine Spule geführt wird. Hierbei wird durch die Änderung der magnetischen Flussdichte eine Spannung in der Spule induziert. Induktive Sensoren werden primär zur Messung von Positionsänderungen genutzt. Damit lassen sich andere Größen wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Kraft messen, da diese von einer Positionsänderung abgeleitet werden können.
Änderung der Kapazität
Kapazitive Sensoren nutzen die Änderung der elektrischen Kapazität, um eine Messgröße zu messen. Die elektrische Kapazität beschreibt die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung zu speichern. Ein Kondensator besteht aus zwei gegeneinander isolierten Leitern, wobei unter anderem der Abstand dieser Leiter zueinander die elektrische Kapazität beeinflusst. Mit einem kapazitiven Sensor können dementsprechend Längen und Positionsänderungen und hiervon abgeleitet Größen gemessen werden. Zudem ist es möglich eine Änderung der Materialeigenschaften (wie zum Beispiel Feuchtigkeit) des Isoliermediums zwischen den Leitern zu messen, da auch diese die elektrische Kapazität beeinflusst. Des Weiteren kann auch erkannt werden, wenn sich ein Objekt zwischen den Platten befindet.
Piezoelektrischer Effekt
Der piezoelektrische Effekt beschreibt das Verhalten mancher Materialien (zumeist Kristalle) sich bei elastischer Verformung zu polarisieren und damit eine elektrische Spannung zu erzeugen. Piezoelektrische Sensoren eignen sich daher besonders zur Messung von dynamischen Größen wie wechselnden Drücken, Kräften oder hiervon abgeleiteten Größen wie Beschleunigungen, da sie vor allem auf zeitliche Änderungen reagieren und für konstante, statische Messungen ungeeignet sind.
Hall-Effekt
Ein Hall-Sensor wird hauptsächlich zur Messung von Magnetfeldern eingesetzt. Auf dieser Basis können auch Größen wie Position, Verschiebung und Geschwindigkeit erfasst werden. Der Hall-Effekt beschreibt das Verhalten eines stromdurchflossenen Leiters, eine Spannung senkrecht zur Richtung des Stromflusses aufzubauen, wenn sich dieser in einem Magnetfeld befindet.
Thermoelektrischer Effekt
Mithilfe des thermoelektrischen Effektes ist es möglich, Temperaturunterschiede zu messen. Hat man zwei unterschiedliche leitfähige Materialien (Drähte) und verbindet diese an einer Stelle, so lässt sich eine Spannung an den offenen Enden messen, wenn die Materialien an der Kontaktstelle eine unterschiedliche Temperatur haben.
Photovoltaischer Effekt
Der photovoltaische Effekt beschreibt das Phänomen, dass in speziellen Materialien Elektronen durch die Energie von Photonen gelöst werden. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung im Material, wenn es Licht ausgesetzt wird. Damit eignet sich dieser Effekt sehr gut, um Lichtintensität zu messen.
Photoelektrischer Effekt
Der photoelektrische Effekt ist dem photovoltaischen Effekt ähnlich, da auch hier Elektronen durch die Energie von Photonen gelöst werden, die dann z. B. als Strom gemessen werden können. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Elektronen beim photoelektrischen Effekt ganz aus dem Material gelöst werden, während sie beim photovoltaischen Effekt innerhalb des Materials verbleiben. Der photoelektrische Effekt wird unter anderem als Grundlage für Bildsensoren genutzt.
Aktoren
In der Literatur werden Aktoren häufig ausschließlich als Geräte definiert, die Energie in mechanische Bewegung umwandeln. In dieser Einordnung werden aber auch nicht-mechanische Effekte (im Folgenden Wirkungsarten genannt) wie die Änderung der Temperatur oder optische Effekte betrachtet. Ein Aktor bezeichnet hier dementsprechend ein Gerät, das Energie aus einer Energiequelle in mechanische Bewegung oder ein elektrisches Signal in andere nichtelektrische Größen umsetzt. Aktoren können demnach anhand ihrer Wirkungsart gruppiert werden. Aktoren, die eine mechanische Bewegung ausführen, werden im Folgenden zusätzlich anhand ihrer Energiequelle (Stimulus) gruppiert.
Wirkungsart
Im Folgenden werden die Wirkungsarten in die Übergruppen mechanisch, optisch, akustisch und thermisch unterteilt. Die Wirkungsart chemisch wird hier nicht betrachtet, weil sie für Servicerobotik nicht relevant ist.
Mechanisch
Mechanische Aktoren wandeln Energie in mechanische Energie wie Bewegungen oder Kräfte um. Sie können anhand ihres Stimulus (ihrer anregenden Energiequelle) klassifiziert werden.
Stimulus: Elektrisch
Mechanische Aktoren, die eine elektrische Energiequelle haben (sogenannte elektromechanische Aktoren), können unterteilt werden in elektromagnetische und elektrostatische Aktoren. Elektromagnetische Aktoren erzeugen Kräfte und Drehmomente durch die Nutzung magnetischer Energie, wohingegen elektrostatische Aktoren, piezoelektrische Aktoren und elektroaktive Polymere elektrische Energie direkt nutzen, um Bewegung oder Kräfte zu erzeugen. Elektromagnetische Aktoren (zumeist einfach Elektromotoren genannt) sind weit verbreitet. Sie sind gut ansteuerbar und haben verglichen mit hydraulischen und pneumatischen Aktoren eine höhere Effizienz und Genauigkeit. Piezoelektrische Aktoren (beispielsweise Piezolinearaktoren), die auf dem piezoelektrischen Effekt beruhen, sind vor allem für kleine und präzise Bewegungen einsetzbar. Die sogenannten elektroaktiven Polymere, welche aufgrund elektrischer Reize ihre Form ändern und auch künstliche Muskeln genannt werden, zeichnen sich durch ihre Flexibilität und Leichtigkeit aus.
Stimulus: Mechanisch
Zu den mechanischen Stimuli bei mechanischen Aktoren gehören hydraulische und pneumatische Aktoren. Hydraulische Aktoren haben eine hohe Energiedichte und eignen sich gut, um hohe Kräfte und Momente aufzubringen. Pneumatische Aktoren sind hingegen vor allem für ihre Schnelligkeit und ihr einfaches Design bekannt.
Weitere Stimuli
Weitere Stimuli sind magnetische, thermische und optische Reize. Hierbei ändern Materialien wie aktive Polymere oder Formgedächtnislegierungen ihre Form oder Eigenschaften aufgrund von magnetischen Feldern, Temperaturänderungen oder Lichtveränderungen.
Optisch
Optische Aktoren sind in dieser Taxonomie alle Geräte, die kontrolliert Licht emittieren. Dazu gehören insbesondere optische Anzeigen wie LEDs, Displays oder ähnliche Technologien, die gezielt Licht zur visuellen Darstellung emittieren. Darüber hinaus fällt auch Laserlicht in diese Kategorie, das als gebündelte und kohärente Lichtquelle für Anwendungen wie Materialbearbeitung, Messtechnik oder Kommunikation genutzt wird.
Akustisch
Ein akustischer Aktor ist in erster Linie ein Lautsprecher, der elektrische Signale in Schallwellen umwandelt. Durch die Bewegung einer Membran, die von einer Spule oder einem piezoelektrischen Element angesteuert wird, erzeugt der Lautsprecher akustische Wellen.
Thermisch
Ein thermischer Aktor ist ein Gerät, das elektrische Energie oder andere Energieformen in Wärme umwandelt, um Temperaturänderungen hervorzurufen.
Referenzen
[1] E. Hering und G. Schönfelder, Sensors in Science and Technology: Functionality and Application Areas. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden, 2022.
[2] L. He und B. Feng, Fundamentals of Measurement and Signal Analysis. Singapore: Springer Nature Singapore, 2022.
[3] J. Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. Cham: Springer International Publishing, 2016.
[4] A. Poole und J. D. Booker, “Classification and selection of actuator technologies with consideration of stimuli generation,” in Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2008, SPIE, Apr. 2008, S. 710–719.
[5] Sepktrum Lexikon der Physik. Aktor. [Online]. Verfügbar: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/aktor/318. [Abruf Oktober 1, 2025].
[6] O. Gomis-Bellmuntuand und L. F. Campanile, Eds., “Actuator Principles and Classification,” in Design Rules for Actuators in Active Mechanical Systems, London: Springer, 2010, S. 3–28.
