Wie weiche Hände eine harte Nuss der Robotertechnik knacken
Sie sind dann ohne Probleme dazu in der Lage, ihnen geordnet präsentierte reguläre Objekte aufzunehmen und zu platzieren. Das Greifen und Handhaben unregelmäßiger Objekte wie zum Beispiel durcheinandergeworfener Teile in Containerbehältern, roher Lebensmittel und unsortierter Müllberge hat sich jedoch als ein schwierig zu lösendes Problem erwiesen. Ziel des EU-finanzierten Projekts SoftHandler war der Bau eines kommerziell nutzbaren Prototyps eines Industriesystems, das mit biegsamen, an Objekte unterschiedlicher Größe, Form, Masse und Festigkeit anpassbaren Manipulatoren arbeitet. „Gemäß unserer Idee wollten wir die Eignung eines industriellen Greifers, der nach dem Konzept der Weichheit Operationen in einer industriellen Umgebung ausführt, unter Beweis stellen. Besonders ging es dabei um zufällig auf einer Ablage platzierte Objekte, die aufgenommen und bewegt werden müssen, um sie in eine andere Kiste oder auf ein anderes Tablett zu legen. Diese Aufgaben kommen in Produktions- und Lagerhallen sehr häufig vor“, erläutert Projektkoordinator Antonio Bicchi.
Weniger kompliziert geht auch
Das Projekt beruht auf früheren Arbeiten, die Bicchi und sein Team durchgeführt haben. „Mit der ursprünglichen Finanzhilfe im Rahmen des Projekts SOFT HANDS sollte ein Problem bei der Gestaltung künstlicher Hände gelöst werden“, erklärt er. Diese Arbeit konzentrierte sich auf eine schwierige Herausforderung aus dem Prothetikbereich, die im Zusammenhang mit Robotermanipulatoren steht: Wie können Komplexität und Geschicklichkeit einer menschlichen Hand mit ihren 19 Freiheitsgraden nachgeahmt werden, während das Teil dennoch robust und leicht bedienbar bleibt. „Viele Jahre lang haben sich die Fachleute dieses Sektors daran versucht, Hände zu erfinden, die auch nur annäherungsweise das können, was eine Menschenhand leisten kann“, berichtet Bicchi. „Trotzdem gab es nur sehr wenige, wenn überhaupt, künstliche Hände, die den Realitätstest in industriellen Anwendungen oder in der Prothetik bestanden.“ Im industriellen Umfeld müssen hochgradig gelenkige Manipulatoren für jede neue Anwendung, je nach dem Objekt, mit dem sie interagieren sollen, neu programmiert werden. Nach Bicchis Angaben ist diese Vorgehensweise kostspielig und steht dem großflächigen Einsatz dieser Manipulatoren im Wege. Ein Teil von Bicchis Lösung bestand darin, sich auf Bewegungsprimitive zu konzentrieren, d. h. Muskelgruppen, die zusammenarbeiten und durch einfache Impulse komplexe Aktionen erzeugen. „Wenn man auf diese Primitive zurückgreift, sind 90 % aller Greifvorgänge mit nur einem oder zwei Bedienungselementen durchführbar“, erklärt Bicchi.
Weicher, besser, schneller, stärker
Bicchi und sein Team am Istituto Italiano di Tecnologia unternahmen dann den Versuch, mit weichen Manipulatoren auf diesem Erfolg aufzubauen. „Der menschliche Körper ist nachgiebig, er kann in gewissen Grenzen die Form der Umgebung annehmen“, gibt Bicchi zu bedenken. Das System des Teams baut Modelle der zu greifenden Objekte auf, die mit dem Objekt verglichen werden, wie es der Manipulator erfühlt. Je stärker das Modell von der Realität abweicht, desto fester nimmt der Manipulator das Objekt in den Griff. Das stellt gegenüber existierenden Systemen eine echte Verbesserung dar. Diese kategorisieren Objekte nämlich durch maschinelles Sehen, wobei suboptimale Lichtverhältnisse und heterogene Objekte zu Schwierigkeiten führen. Die weichen Manipulatoren sind zudem robuster als komplexe mechanische Greifer. „Wir konnten nachweisen, dass Objekte mit unserer Methode viel schneller manipuliert werden können“, sagt Bicchi. Die Arbeit wurde durch den Europäischen Forschungsrat unterstützt. „Diese Unterstützung war von entscheidender Bedeutung und verlieh mir die Freiheit, mich in eine neue Richtung wagen zu können; eine ganz andere als jene Ideen, welche die meisten anderen Gruppen und auch wir zwanzig Jahre lang verfolgt haben“, fügt Bicchi hinzu. Die Arbeit wurde inzwischen in das kommerzielle Unternehmen qbrobotics ausgegliedert, dessen Ziel es ist, Hände für Industrieroboter auf Basis dieser Prinzipien und Gestaltungsformen herzustellen.
Schlüsselbegriffe
SoftHandler, weiche Hand, Manipulator, Handhabungsvorrichtung, Robotertechnik, industriell, Primitive, Freiheitsgrade
