BionicMobileAssistant: mobiel robotsysteem met pneumatische grijphand

BionicMobileAssistant

Mobiel robotsysteem met pneumatische grijphand

De BionicMobileAssistant beweegt autonoom in de ruimte en kan objecten zelfstandig herkennen, adaptief vastpakken en met mensen samenwerken. De verwerking van de geregistreerde informatie wordt uitgevoerd door een neuraal netwerk dat vooraf is getraind met behulp van data augmentation.

Mensen en robots zullen in de toekomst steeds nauwer samenwerken. Daarom houden we ons bij Festo intensief bezig met systemen die de mens bijvoorbeeld bij monotone of gevaarlijke werkzaamheden zouden kunnen ontlasten en tegelijkertijd geen risico vormen. Kunstmatige intelligentie speelt hierbij een centrale rol.

Modulair assistentiesysteem

De BionicMobileAssistant, in samenwerking met de ETH Zürich ontwikkeld, bestaat uit drie subsystemen: een mobiele robot, een elektrische robotarm en de BionicSoftHand 2.0. De pneumatische grijper is geïnspireerd op de menselijke hand en een doorontwikkeling van de BionicSoftHand uit 2019.

DynaArm: dynamische robotarm met hoge vermogensdichtheid

Met de DynaArm, een elektrische robotarm, zijn snelle en dynamische bewegingen mogelijk. Daarvoor zorgt het lichtgewicht ontwerp met sterk geïntegreerde aandrijfmodules die slechts een kilogram wegen. In deze zogenaamde DynaDrives worden de motor, tandwielkast, motorbesturingselektronica en sensoren in een zeer kleine ruimte geïnstalleerd. Daarnaast heeft de arm een hoge vermogensdichtheid, die met één kW bij 60 Nm aandrijfmoment veel verder gaat dan die van de gebruikelijke industriële robots.

Dankzij modelgebaseerde krachtregeling en regelalgoritmen ter compensatie van dynamische effecten kan de arm goed reageren op externe invloeden en dus zeer gevoelig met zijn omgeving interageren. Hij wordt bestuurd door een ballbot via een EtherCAT-communicatiebus. Dankzij de modulaire opbouw kan de DynaArm snel en eenvoudig in gebruik worden genomen en gemakkelijk worden onderhouden.

Ballbot: mobiele robotapplicatie met een speciale aandrijving

De ballbot is gebaseerd op een geavanceerd aandrijfconcept: hij balanceert op een bal die wordt aangedreven door drie omniwheels. Hierdoor kan de BionicMobileAssistant in elke willekeurige richting manoeuvreren. De robot raakt de grond continu maar op één punt en kan zo door nauwe doorgangen navigeren. Om zijn evenwicht te bewaren, moet hij continu bewegen. De bewegingen worden gepland en gecoördineerd met behulp van plannings- en besturingsalgoritmen die zijn opgeslagen op een krachtige computer in het lichaam van de ballbot.

De stabiliteit van de robot wordt volledig dynamisch gerealiseerd – bij externe invloeden kan de ballbot de bal snel in rotatie brengen en zo zijn evenwicht bewaren. Met behulp van een traagheidsmeeteenheid en positie-encoders op de wielen registreert hij zijn bewegingen en de relatieve helling van het systeem. Een optimalisatieprogramma gebruikt deze data om te berekenen hoe de robot en arm moeten bewegen om de hand in de doelpositie te brengen en tegelijkertijd de robot te stabiliseren.

Veilig assistentiesysteem: ballbot, DynaArm en BionicSoftHand 2.0 in actie

Veilig assistentiesysteem: ballbot, DynaArm en BionicSoftHand 2.0 in actie

De vingers van de pneumatische robothand bestaan uit flexibele balgconstructies met luchtkamers, omhuld met een stevig en tegelijkertijd flexibel gebreid textiel. Dit maakt de hand licht, adaptief en gevoelig, maar toch in staat om veel kracht uit te oefenen. Net als bij de BionicSoftHand uit 2019 worden de pneumatische vingers ook hier gestuurd via een compact ventieleiland met piëzoventielen, dat direct aan de hand is bevestigd.

Een fijngevoelige grijper

De hand draagt een handschoen met tactiele krachtsensoren op de vingertoppen, de handpalm en de buitenkant van de robothand. Op deze manier kan ze voelen hoe hard de te grijpen objecten zijn en hoe goed ze in de hand liggen en haar grijpkracht aanpassen aan het betreffende object – net als mensen het doen. Daarnaast is er een dieptecamera aan de binnenkant van de pols voor visuele objectdetectie.

BionicSoftHand 2.0

Objectherkenning met behulp van een neuraal netwerk

Met behulp van de camerabeelden kan de robothand verschillende objecten herkennen en grijpen, zelfs als ze maar gedeeltelijk te zien zijn. Na een goede training kan de hand de verkregen data ook gebruiken om de objecten te beoordelen en bijvoorbeeld goede van slechte objecten te onderscheiden. De informatie wordt verwerkt door het neurale netwerk, dat vooraf is getraind met behulp van data augmentation.

Uitgebreide datasets door data augmentation

Om tot de best mogelijke resultaten te komen, heeft het neurale netwerk veel informatie nodig op basis waarvan het zich kan oriënteren. Dat betekent: hoe meer trainingsbeelden beschikbaar zijn, hoe betrouwbaarder het wordt. Aangezien dit doorgaans tijdrovend is, wordt een automatische uitbreiding van de dataset aanbevolen.

Dit proces staat bekend als data augmentation. Door marginale veranderingen in enkele bronbeelden – bijvoorbeeld met verschillende achtergronden, lichtomstandigheden of perspectieven – en hun duplicatie, krijgt het systeem een uitgebreide dataset waarmee het zelfstandig kan werken.

Mobiel gebruik op wisselende locaties

Het systeem heeft zijn volledige energietoevoer aan boord: de batterij voor de arm en robot zit in het lichaam. De persluchtpatroon voor de pneumatische hand is in de bovenarm geïntegreerd. Dit maakt de robot niet alleen mobiel, hij kan ook zelfstandig bewegen.

De algoritmen die op de mastercomputer zijn opgeslagen, regelen ook de autonome bewegingen van het systeem. Ze plannen de toekomstige bewegingen van de arm en de bal die moeten worden uitgevoerd om bepaalde punten te bereiken en daarbij het evenwicht niet te verliezen. Met behulp van twee camera's oriënteert de robot zich zelfstandig in de ruimte: een camera zoekt naar vooraf gedefinieerde vaste punten in de omgeving om zichzelf absoluut te positioneren, terwijl een tweede camera de plafondstructuur gebruikt om de beweging in te schatten.

Dankzij zijn mobiliteit en autonome energietoevoer kan de BionicMobileAssistant flexibel worden gebruikt voor verschillende taken op wisselende locaties – geheel in dienst van een constant veranderende productie.

Veelzijdige toepassingsmogelijkheden

Het systeem zou ideaal zijn als directe assistent voor mensen, bijvoorbeeld als servicerobot, als helpende hand bij de montage of om werknemers te ondersteunen bij ergonomisch veeleisend of monotoon werk. Het kan ook worden gebruikt in omgevingen waar mensen niet kunnen werken, bijvoorbeeld vanwege gevaren of beperkte toegang.

Hand in hand met de mens

Dankzij het modulaire concept kan de BionicSoftHand 2.0 ook snel op andere robotarmen worden gemonteerd en in gebruik worden genomen. Gecombineerd met de BionicCobot of de BionicSoftArm vormt de grijper bijvoorbeeld een volledig pneumatisch robotsysteem dat dankzij zijn inherente flexibiliteit hand in hand met de mens kan samenwerken.