Roboterhand mit Fingerspitzengefühl

Artikel vom 29. März 2019 

BionicSoftHand

Die Kaffeetasse halten, auf der Tastatur eine E-Mail tippen oder mit Freunden „Schnick-Schnack-Schnuck“ spielen: Wir setzen unsere Hände intuitiv in den unterschiedlichen Lebenssituationen ein. Der pneumatische Universalgreifer BionicSoftHand sieht dem natürlichen Vorbild nicht nur ähnlich, sondern erlernt durch künstliche Intelligenz auch menschliche Bewegungsmuster. Kombiniert mit dem pneumatischen Leichtbauroboter BionicSoftArm kann er mit dem Menschen zusammenarbeiten.

Eine Hand hält einen Würfel mit zwölf verschiedenfarbigen Seiten. Sie dreht ihn solange, bis die blaue Seite nach oben zeigt. Für einen Menschen eine einfach zu lösende Aufgabe – bei Robotern oft mit erheblichen Programmierungsaufwand verbunden.

Training mit künstlicher Intelligenz

Die BionicSoftHand lernt dank künstlicher Intelligenz eigenständig und schnell, die gewünschte Seite des Würfels nach oben zu bringen. Zum Einsatz kommt die Methode des Reinforcement Learning, des Lernens durch Bestärken. An Stelle einer konkreten Handlung, die die Hand nachahmen muss, bekommt sie das Ziel vorgegeben. Dieses versucht sie durch Ausprobieren (Trial-and-Error) zu erreichen. Anhand der erhaltenen Rückmeldungen optimiert sie nach und nach ihre Aktionen, bis sie die Aufgabe erfolgreich löst.

Dank Reinforcement Learning erlernt die BionicSoftHand eigenständig und schnell menschliche Bewegungsmuster.
Dank Reinforcement Learning erlernt die BionicSoftHand eigenständig und schnell menschliche Bewegungsmuster.

Das Einlernen geschieht in einer virtuellen Umgebung anhand einer Simulation – dem sogenannten digitalen Zwilling. Mit Hilfe der Daten einer Tiefenkamera und den Algorithmen der künstlichen Intelligenz wird die Steuerung in der Simulation auf die gewünschte Bewegungsstrategie trainiert und anschließend auf die reale SoftHand übertragen. Auf diese Weise lassen sich die erlernten Wissenselemente auch mit weiteren Roboterhänden weltweit teilen.

Gefühlvoll bis in die Fingerspitzen

Die Finger der Roboterhand bestehen aus flexiblen Balgstrukturen mit Luftkammern. Diese werden von einem speziellen 3D-Textilmantel umschlossen, der sowohl aus elastischen als auch hoch festen Fäden gestrickt ist. Damit kann über das Textil genau bestimmt werden, an welchen Stellen die Struktur sich ausdehnt und damit Kraft entfaltet und wo sie an der Ausdehnung gehindert wird. Die Hand ist so leicht, nachgiebig, anpassungsfähig und sensibel, aber dennoch in der Lage, starke Kräfte auszuüben. Darüber hinaus sind Positionssensoren verbaut sowie taktile Kraftsensoren, die Druck registrieren.

Sensibel und kraftvoll zugleich: Durch ein spezielles 3D-Textilgestrick können die Finger flexibel agieren.
Sensibel und kraftvoll zugleich: Durch ein spezielles 3D-Textilgestrick können die Finger flexibel agieren.

Um den Aufwand für die Verschlauchung der BionicSoftHand möglichst gering zu halten, haben die Entwickler eigens eine kleinbauende, digital geregelte Ventilinsel konstruiert, die direkt unterhalb der Hand angebracht ist. Dadurch müssen die Schläuche zur Ansteuerung der Finger nicht durch den kompletten Roboterarm gezogen werden. Auf diese Weise lässt sich die BionicSoftHand mit nur je einem Schlauch für Zuluft und Abluft schnell und einfach anschließen und in Betrieb nehmen. Mit den eingesetzten proportionalen Piezoventilen können die Bewegungen der Finger präzise geregelt werden.

Flexibler Arm für die Zusammenarbeit

Für die Zusammenarbeit mit dem Menschen lässt sich BionicSoftHand auf den BionicSoftArm – einen pneumatischen Leichtbauroboter – montieren. Er ist von Grund auf nachgiebig und kann ohne Gefahr mit Menschen gleichzeitig ein Werkstück bearbeiten. Die strikte Trennung zwischen der menschlichen Arbeit und den automatisierten Aktionen von Robotern wird so zunehmend aufgehoben und ihre Arbeitsbereiche verschmelzen zu einem kollaborativen Arbeitsraum.

Mensch und Roboter arbeiten Hand in Hand – der BionicSoftArm macht es möglich.
Mensch und Roboter arbeiten Hand in Hand – der BionicSoftArm macht es möglich.

Der BionicSoftArm ist eine kompakte Weiterentwicklung des BionicMotionRobot von Festo, dessen Anwendungsspektrum deutlich erweitert wurde. Möglich macht das sein modularer Aufbau: Er lässt sich aus bis zu sieben pneumatischen Balgsegmenten und Drehantrieben kombinieren. Damit ist er in Reichweite und Beweglichkeit maximal flexibel und kann bei Bedarf auch auf engstem Raum um Hindernisse herum arbeiten.

Modular aufgebaut: Der BionicSoftArm lässt sich mit bis zu sieben pneumatischen Balgsegmenten und Drehantrieben kombinieren.
Modular aufgebaut: Der BionicSoftArm lässt sich mit bis zu sieben pneumatischen Balgsegmenten und Drehantrieben kombinieren.

Der bionische Arm ist sehr wandlungsfähig. Je nach Aufgabe lassen sich auch andere Greifer als die BionicSoftHand montieren. Außerdem passt er sich leicht an unterschiedliche Aufgaben und an wechselnde Orte an. Der Wegfall aufwendiger Sicherheitseinrichtungen wie Käfige oder Lichtschranken verkürzt die Umbauzeiten und ermöglicht so einen flexiblen Einsatz – ganz im Sinne einer wandlungsfähigen und wirtschaftlichen Fertigung.