Der BionicMobileAssistant bewegt sich autark im Raum und kann eigenständig Objekte erkennen, adaptiv greifen und gemeinsam mit dem Menschen bearbeiten. Die Verarbeitung der erfassten Informationen übernimmt ein neuronales Netz, das im Vorfeld mit Hilfe von Data Augmentation trainiert wurde.
Werker und Roboter werden in Zukunft immer mehr und enger zusammenarbeiten. Daher befassen wir uns bei Festo intensiv mit Systemen, die den Menschen zum Beispiel bei monotonen oder gefährdenden Tätigkeiten entlasten könnten und gleichzeitig kein Risiko darstellen. Künstliche Intelligenz spielt hierbei eine zentrale Rolle.
In Kooperation mit der ETH Zürich ist dabei der BionicMobileAssistant entstanden, der aus drei Subsystemen besteht: einem mobilen Roboter, einem elektrischen Roboterarm und der BionicSoftHand 2.0. Der pneumatische Greifer ist von der menschlichen Hand inspiriert und eine Weiterentwicklung der BionicSoftHand aus dem Jahr 2019.
Mit dem DynaArm, einem elektrischen Roboterarm, sind schnelle und dynamische Bewegungen möglich. Dafür sorgt seine leichte Bauweise mit hochintegrierten, nur einem Kilogramm schweren Antriebsmodulen. In diesen sogenannten DynaDrives sind Motor, Getriebe, die Motoren-Kontrollelektronik und Sensoren auf engstem Raum verbaut. Außerdem verfügt der Arm über eine hohe Leistungsdichte, die mit einem kW bei 60 Nm Antriebsmoment weit über die der üblichen Industrieroboter hinausgeht.
Dank modellbasierter Kraftregelung und Regelalgorithmen zur Kompensation dynamischer Effekte kann der Arm gut auf äußere Einflüsse reagieren und damit sehr feinfühlig mit seiner Umgebung interagieren. Angesteuert wird er von einem Ballbot aus über einen EtherCAT-Kommunikationsbus. Durch seinen modularen Aufbau lässt sich der DynaArm schnell in Betrieb nehmen und einfach instand halten.
Der Ballbot basiert auf einem ausgeklügelten Antriebskonzept: Er balanciert auf einer Kugel, die von drei Omniwheels angetrieben wird. Dadurch kann sich der BionicMobileAssistant beliebig in alle Richtungen manövrieren. Der Roboter berührt den Boden immer nur an einem Punkt und kann so auch durch enge Passagen navigieren. Um sein Gleichgewicht zu halten, muss er sich kontinuierlich bewegen. Die Planung und Koordination der Bewegungen erfolgen über Planungs- und Regelalgorithmen, die auf einem leistungsstarken Rechner im Körper des Ballbots hinterlegt sind.
Die Stabilität des Roboters wird rein dynamisch realisiert – bei Einflüssen von außen kann der Ballbot die Kugel schnell in Rotation versetzen und so das Gleichgewicht halten. Mit Hilfe einer inertialen Messeinheit und von Positionsencodern an den Rädern erfasst er seine Bewegungen und die relative Neigung des Systems. Ein Optimierungsprogramm berechnet auf Basis dieser Daten, wie sich Roboter und Arm bewegen müssen, um die Hand in Zielposition zu bringen und den Roboter gleichzeitig zu stabilisieren.
Die Finger der pneumatischen Roboterhand bestehen aus flexiblen Balgstrukturen mit Luftkammern, umhüllt von einem festen und zugleich nachgiebigen Textilgestrick. Dadurch ist die Hand leicht, anpassungsfähig und sensibel, aber dennoch in der Lage, starke Kräfte auszuüben. Auch die Ansteuerung der pneumatischen Finger erfolgt wie bei der BionicSoftHand aus dem Jahr 2019 über eine kompakte Ventilinsel mit Piezoventilen, die direkt an der Hand angebracht ist.
Die Hand trägt einen Handschuh mit taktilen Kraftsensoren an den Fingerkuppen, der Handfläche und den Außenseiten der Roboterhand. So kann sie fühlen, wie hart das Greifgut ist und wie gut es in der Hand liegt, und ihre Greifkraft – genau wie wir Menschen – an den jeweiligen Gegenstand anpassen. Zusätzlich sitzt am Inneren des Handgelenks eine Tiefenkamera zur visuellen Objekterfassung.
The system has its entire power supply on board: the battery for the arm and robot sits inside the body. The compressed air cartridge for the pneumatic hand is installed in the upper arm. This means that the robot is not only mobile, it can also move autonomously.
The algorithms stored on the master computer also control the autonomous movements of the system. With a view to the future, they plan how the arm and the ball must move in order to reach certain target points while maintaining balance. With the help of two cameras, the robot orients itself independently in space: one camera searches for predefined fixed points in the environment to position itself autonomously, while a second camera uses the ceiling structure to estimate movement.
Its mobility and autonomous energy supply enable the BionicMobileAssistant to be used flexibly for different tasks at changing locations – in line with the constantly changing production environment.
The system would be predestined for use as a direct assistant to humans, for example as a service robot, as a helping hand in assembly or to support workers in ergonomically stressful or monotonous work. It could also be used in environments where people cannot work, for example due to hazards or limited accessibility.
Thanks to its modular concept, the BionicSoftHand 2.0 can also be quickly mounted and commissioned on other robot arms. Combined with the BionicCobot or the BionicSoftArm, the gripper forms, for example, a completely pneumatic robot system that can work hand in hand with humans due to its inherent flexibility.