Diese „mechanische Klaue“ kann mühelos Eier greifen, Papier schneiden und Chips festklemmen, genau wie eine menschliche Hand!

Wenn eine Roboterhand dieselben Funktionen wie eine menschliche Hand ausführen könnte, würde sie über ein hohes Maß an Fingerfertigkeit bei der Ausführung von Aufgaben verfügen.

Es ist jedoch eine Herausforderung, eine integrierte Roboterhand zu entwickeln, die keine zusätzlichen angetriebenen Komponenten benötigt und gleichzeitig wichtige Funktionen wie menschenähnliche Fingerfertigkeit und Greifstärke beibehält. Aufgrund der Antriebskomponenten lassen sich diese Roboter nur schwer in bestehende Roboterarme integrieren, was ihre breite Anwendbarkeit einschränkt.

Jetzt ist eine neue Lösung verfügbar. Ein Forschungsteam aus Südkorea hat eine geschickte anthropomorphe Roboterhand mit integriertem Link-Drive-Mechanismus entwickelt, der auf dem Link-Drive-Mechanismus namens ILDA basiert. Diese Roboterhand verfügt über 15 Freiheitsgrade (20 Gelenke), eine Fingerspitzenkraft von 34 N, eine kompakte Größe (maximale Länge: 218 mm), erfordert keine zusätzlichen Teile, hat ein geringes Gewicht von 1,1 kg und taktile Sensorfunktionen.

Interessanterweise kann die Roboterhand direkt an vorhandenen kommerziellen Roboterarmen montiert werden, um eine große Bandbreite an Aufgaben auszuführen, vom Greifen von Eiern bis hin zur Verwendung von Scheren und Pinzetten, heißt es in dem Artikel in Nature Communications.

Abbildung｜Demonstration der Fingerflexibilität der ILDA-Roboterhand (Quelle: Nature Communications)

Die Roboterlösung ergänzt ihre Stärken

Um effektive Greifbewegungen zu erreichen, hat die Industrie tatsächlich viele relativ geschickte anthropomorphe Roboterarme entwickelt, die einige Objekte adaptiv greifen können. In diesem Artikel konzentrierten sich die Forscher auf die Analyse und Entwicklung von Händen mit mehreren Freiheitsgraden und hoher Fingerfertigkeit. Die repräsentativen Kernelemente geschickter Roboterhände lassen sich in die folgenden Aspekte unterteilen: direkter Motorantrieb, Sehnenantrieb und Pleuelstangen-Antriebsmechanismus.

Hände, die auf der Basis von Direktantriebsmechanismen für Motoren entwickelt wurden, sind eine gängige Struktur, die die Motoren intuitiv im Verhältnis zu den Gelenken positioniert und die Gelenke direkt oder mithilfe von Zahnrädern oder Steuerriemen antreibt. Diese Struktur ermöglicht eine hohe Gelenkantriebseffizienz und ermöglicht die einfache Anordnung des Gelenks an einer gewünschten Position.

Abbildung | MPL-Roboterarm, entwickelt vom Johns Hopkins APL Laboratory (Quelle: Johns Hopkins University)

Ein konkretes Beispiel hierfür ist die vom APL-Labor der Johns Hopkins University entwickelte Roboterhand MPL v2.0, die über eine hohe Fingerfertigkeit verfügt, 22 aktive Freiheitsgrade besitzt, kompakt im Design ist und über integrierte Aktuatoren und Elektronik verfügt, die natürliche Bewegungen auf menschlichem Niveau ermöglicht und taktiles Feedback liefert. Allerdings sind Größe und Leistungsfähigkeit der Hand, insbesondere der Finger, stark von der Motorik abhängig. Die Verwendung von Motoren oder Antriebsübertragungskomponenten mit High-End-Spezifikationen erhöht die Kosten. Zudem ist aufgrund des Motorgewichts die Trägheit an den Fingern hoch, so dass ein komplexer Steuerungsmechanismus erforderlich ist. Ohne Innovationen in der Antriebstechnologie ist es schwierig, Kompaktheit, Leichtigkeit und hohe Leistung zu erreichen.

Abbildung｜Shadow Robot Roboterarm (Quelle: Shadow Robot)

Der sehnenbasierte Betätigungsmechanismus der Hand ähnelt am meisten dem Betätigungsmechanismus der menschlichen Hand. Normalerweise befinden sich ihre Aktuatoren am Unterarm und sind über Sehnen mit den Gelenken verbunden, um die Antriebskraft zu übertragen. Als Vertreter mit solchen Mechanismen können die von der NASA entwickelte Roboterhand, die vom DLR entwickelte David-Hand und die von Shadow Robot entwickelte Shadow-Hand angesehen werden. Dies ist ein sehr geeigneter Ansatz für die Entwicklung eines einzelnen humanoiden Roboters, aber die Aktuatoren und elektrischen Komponenten dieser Art von Roboterhand sind ziemlich groß, was es schwierig macht, diese Roboterhände mit vielen vorhandenen kommerziellen Roboterarmen zu kombinieren.

Der Pleuelstangen-Antriebsmechanismus ist ein in unserem täglichen Leben häufig verwendeter Mechanismus. Die auf der Grundlage dieses Mechanismus entwickelte Hand fördert die Bewegung der Gelenke in die gewünschte Richtung durch eine Struktur, die mehrere Verbindungen kombinieren kann, um die Kraft vom Aktuator zu übertragen. Diese Art von Roboterhand bietet die Vorteile einer bidirektionalen Steuerung der Gelenke, Robustheit sowie einfacher Herstellung und Wartung. Allerdings fällt es ihnen schwer, Bewegungen mit mehreren Freiheitsgraden zu erreichen und einen großen Arbeitsbereich aufrechtzuerhalten, insbesondere bei seriellen Roboterhänden wie Fingern. Sehnen sind dünn und flexibel, sodass sie jedes Gelenk unabhängig über eine Rotationsachse betätigen können. Die Verbindungen sind jedoch relativ dick und steif, sodass diese Konfiguration schwer zu erreichen ist.

Durch die Analyse vorhandener Roboterhandlösungen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass eine Roboterhand die folgenden Vorteile aufweisen muss: Flexibilität, Fingerspitzenkraft, Steuerbarkeit, Robustheit, niedrige Kosten, geringer Wartungsaufwand und Kompaktheit. Darüber hinaus sollten alle Komponenten in die Hand selbst integriert werden können und alle oben genannten Funktionen beinhalten, wodurch eine integrierte, gelenkgesteuerte, geschickte anthropomorphe Roboterhand (ILDA) entwickelt wird.

Abbildung | ILDA-Übersicht, Konfiguration umfasst fünf Roboterfinger mit Fingerspitzensensoren, Handflächenseite mit integrierten Aktuatoren, Controller und Zubehör (Quelle: Nature Communications)

Die neue Lösung basiert auf der Verschmelzung paralleler und serieller Mechanismen. Sie ermöglicht eine 2-DOF-Bewegung des Metakarpophalangealgelenks (MCP) und eine 1-DOF-Bewegung des proximalen Interphalangealgelenks (PIP) durch eine Kombination von Pleuelstangen sowie die Auswahl, Platzierung und Konfiguration kleiner Teile, die in jedem Gelenk eine Rolle spielen, um die erforderliche DOF-Bewegung und den Antriebswinkel zu erreichen, sowie eine effiziente Kraftübertragungsstruktur, um eine hohe Fingerspitzenkraft und die Fähigkeit zum Rückwärtsfahren zu erreichen. Die Krafterfassungsfähigkeit der Hand wird durch die Anbringung von sechsachsigen Kraft-/Drehmomentsensoren (F/T) an den Fingerspitzen sichergestellt. Mithilfe der entworfenen Finger entwickelten die Forscher eine fünffingrige Roboterhand mit 15 Freiheitsgraden und 20 Gelenken.

Abbildung｜Struktur von Roboterfingern (Quelle: Nature Communications)

In praktischen Anwendungen wird es durch die Lösung von Leiterplattenlayout- und Verdrahtungsproblemen aufgebaut und gewährleistet so die Kompaktheit elektronischer Geräte. Alle Motoren sind in die Handfläche integriert und es gibt fünf Finger und Fingerkuppensensoren, die über eine einfache Verbindungskonfiguration problemlos an einen allgemeinen Roboterarm angeschlossen werden können.

In Experimenten war diese neue Roboterhand in der Lage, Objekte unterschiedlicher Form zu greifen, eine starke Greifkraft bereitzustellen und beim Greifen Präzision zu gewährleisten. Schließlich wurde die hohe Auslastung der Hände durch Experimente bestätigt, bei denen Papier mit einer Schere geschnitten und kleine Gegenstände mit einer Pinzette aufgehoben wurden. Dabei wurden die Werkzeugoperationen nachgeahmt, die im Alltag von der menschlichen Hand ausgeführt werden.

Abbildung | Flexible Greiffähigkeit der ILDA-Roboterhand (Quelle: Nature Communications)

Ein neues Leistungsniveau

Die Forscher führten einige Analysen zur Leistung des ILDA-Roboters durch. In Bezug auf den gelenkgesteuerten Mechanismus besteht der Schlüssel zum Design darin, einen gelenkgesteuerten Roboterfingermechanismus mit 3-DOF-Bewegung ähnlich der eines menschlichen Fingers mit einem schmalen, fingergroßen Arbeitsbereich zu realisieren, um die Geschicklichkeit der Roboterhand sicherzustellen.

Die meisten gelenkgesteuerten Roboterfinger erreichen je nach zwei Gelenken nur einen oder zwei Freiheitsgrade in der Bewegung. Durch lineare Verschiebungen an drei prismatischen Gelenken entwickelten die Forscher eine Kombination aus 3-DOF-Bewegungen für den Finger, wobei sie durch eine Kombination aus Rotationsmotoren und Kugelumlaufspindeln drei lineare Verschiebungen erzeugten. Die drei Motoren können gleichzeitig Bewegungen mit drei Freiheitsgraden erzeugen und eine hohe Kraftabgabe erzeugen.

Abbildung | Kinematische Struktur des Roboterfingermechanismus (Quelle: Nature Communications)

Um die gesetzten Zielanforderungen zu erreichen, berücksichtigten die Forscher vor allem die folgenden Faktoren: (1) Auswahl und Konfiguration von Teilen geeigneter Größe, um die erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade zu erreichen: Um die Funktionen des obigen kinematischen Modells im engen Raum der Fingerform zu realisieren, sollten bei der Konfiguration des Modells entsprechende Vorkehrungen getroffen werden. Daher ist die Wahl der richtigen Widget-Größe aus Designsicht sehr wichtig. (2) Effiziente Kraftübertragungsstruktur zur Minimierung der Reibung zwischen den Montageteilen. Um hohe Fingerspitzenkräfte zu erreichen, ist eine kompakte Bauweise bei gleichzeitiger Minimierung der Reibung im Kraftübertragungsbereich erforderlich. (3) Einfach herzustellen und zu montieren. Um die Marktdurchdringung entwickelter Manipulatoren zu erhöhen, ist es auch wichtig, diese hinsichtlich Kosten und Wartung zu bewerten. Daher ist es sehr wichtig, eine einfache und robuste Manipulatorstruktur zu entwerfen.

Abbildung | Detaillierte Abmessungen der Roboterhand (Quelle: Nature Communications)

Schließlich wurden alle Kraftübertragungskomponenten und Motoren in die Handflächenseite integriert, fünf F/T-Sensoren wurden an jeder Fingerspitze der konfigurierten Fingerbaugruppe angebracht und die Sensorverdrahtung wurde so abgeschlossen, dass sie die Fingerbewegung nicht behinderte. Das Ergebnis war eine integrierte Roboterhand mit einer maximalen Länge von 218 mm und einem Gewicht von nur 1,1 kg.

Um die Leistung der ILDA-Hand zu überprüfen, bewerteten die Forscher sie anhand von drei Dimensionen: (1) Geschicklichkeit im Arbeitsbereich; (2) Kraft der Fingerspitzen; und (3) taktile Wahrnehmung.

Im Experiment kann das MCP-Gelenk von 0° bis 90° gefahren werden, und das PIP-Gelenk kann ebenfalls von 0° bis 90° bedient werden; Darüber hinaus kann das PIP-Gelenk unabhängig vom MCP-Gelenk operieren, mit Fingerabduktions- und -adduktionswinkeln von ±35°.

Abbildung｜Leistungsanalyse (Quelle: Nature Communications)

Die Stärke der Kontaktkraft am Kontaktpunkt wird durch den Fingerkuppensensor ermittelt und auf die Fingerkuppe und den Referenzsensor wird die gleiche Kraft ausgeübt. Die vom Finger ausgeübte Kraft wird sukzessive erhöht und der 25 mA-Strom erhöht sich alle 2 Sekunden. Die von diesem Finger maximal ausgeübte Kraft beträgt 28 N in der gestreckten Haltung und 34 N in der gebeugten Haltung, was die Genauigkeit der vom Finger ausgeübten statischen Kraft mit einem durchschnittlichen Fehler von 0,9 N bestätigt. Die Reaktionen sind im Allgemeinen gut aufeinander abgestimmt und weisen keine kritischen Fehler auf, was ein großes Potenzial für die Kraftkontrolle bei der Durchführung heikler Aufgaben bietet.

Abbildung | Der Roboter führt verschiedene Greiftests und Feinoperationen durch (Quelle: Nature Communications)

Während der Testphase wurde mit der entwickelten Hand eine Aluminiumdose zerdrückt, wobei die an jedem Finger gemessene Maximalkraft 25 N betrug. Mit der Hand lässt sich auch ein Ei sicher greifen, ohne es zu zerdrücken. Um die Durchführbarkeit der Verwendung der Roboterhand zur Handhabung von Werkzeugen zu bestätigen, wurde die Hand mit einer handelsüblichen Roboterhand verbunden, um ein Papierschneideexperiment durchzuführen, da das Schneiden von Papier mit einer Schere im täglichen Leben eine Aufgabe ist, die ein hohes Maß an Fingerfertigkeit erfordert.

Der letzte Test bestand darin, einen kleinen Gegenstand mit der Pinzette zu greifen und zu bewegen. Der Manipulator bewegte sich, sodass die Spitze der Pinzette den kleinen Chip halten konnte. Die Hand führte eine Greifbewegung aus, wodurch die Pinzette die Abdeckung des Chips abzog und den Chip packte. Anschließend wurde das Objekt an eine andere Stelle bewegt und die Pinzette losgelassen, um den Vorgang abzuschließen. Alles verlief reibungslos.

Abbildung | Der Roboter nimmt den Chip mit einer Pinzette auf (Quelle: Nature Communications)

Senkung der Schwelle für kommerzielle Anwendungen

Die Forscher sagten, dass der geschickte anthropomorphe Manipulator ILDA auf Basis des Link-Drive-Mechanismus die ursprünglichen Vorteile des Link-Drive-Mechanismus gewährleistet, wie etwa die bidirektionale Steuerung der Gelenke, Robustheit sowie einfache Herstellung und Wartung. Gleichzeitig gewährleistet es 15 Freiheitsgrade aktiver Bewegung mit 20 Gelenken, ausreichend Arbeitsraum zwischen den Fingern und eine höhere Fingerspitzenkraft. Es ist außerdem leichter, kompakter und bietet Platz für die Sensorintegration.

Die ILDA-Roboterhand kann problemlos an vorhandene kommerzielle oder in der Entwicklung befindliche Roboterarme angebracht werden, ohne dass zusätzliche Teile erforderlich sind. Der Hauptvorteil besteht darin, dass die Hand eine hohe Leistung aufweist und die Teilekonfiguration in die Hand selbst integriert ist.

Der Roboter kann je nach Form des Objekts unterschiedliche Greifarten ausführen. Scheren und Pinzetten werden verwendet, um die Möglichkeit der Handhabung von Werkzeugen im täglichen Leben zu bestimmen. Obwohl es schwierig ist, die Effektivität der Hand bei der Handhabung von Werkzeugen mithilfe von Scheren genau zu quantifizieren, nutzen sie mehrere Freiheitsgrade der Hand und führen kombinierte Bewegungen durch bidirektionale Steuerung der Gelenke aus.

Die Entwicklung geschickter anthropomorpher Roboterhände mit ultrahohen Freiheitsgraden ist nach wie vor ein ungelöstes Problem, das sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technischer Sicht fortlaufender Forschung bedarf. Doch in dieser Studie versuchten die Forscher, die Leistung des Roboters in jeder Hinsicht zu maximieren.

Bislang hat die Industrie viele relativ geschickte Roboterhände entwickelt, doch die hohen Kosten, die durch komplexe Herstellungsprozesse und Wartungsschwierigkeiten verursacht werden, haben ihren kommerziellen Einsatz eingeschränkt. Durch umfassende Funktions- und Kostenoptimierungen kann die Anwendbarkeit dieser ILDA-Roboterhand auf praktische Forschungsfelder und viele Industrieanwendungen ausgeweitet werden und so die weitere Forschung an Roboterhänden gefördert werden.

Kann ein solcher flexibler Roboterarm in Zukunft bei Menschen mit Behinderungen eingesetzt werden, um ihnen bei der Durchführung einiger alltäglicher Aufgaben zu helfen? Wir können abwarten und sehen.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27261-0

Geschrieben von: Cooper, bearbeitet von: Kou Jianchao, Layout: Li Xuewei

Quelle: Academic Headlines