Robotergreifer mit hautähnlichem weichem Tastsensor für präzises Handling

Ein Forschungsteam entwickelte einen weichen Tastsensor mit hautvergleichbaren Eigenschaften. Ein Robotergreifer mit dem an der Fingerspitze montierten Sensor konnte anspruchsvolle Aufgaben bewältigen wie das stabile Greifen zerbrechlicher Objekte und das Einfädeln einer Nadel.

Eine Hauptcharakteristik menschlicher Haut ist ihre Fähigkeit, Scherkräfte zu spüren – die Kraft, die zwei Objekte gegeneinander gleiten lässt, wenn sie in Kontakt kommen. Durch das Erfassen der Größe, Richtung und der subtilen Änderung der Scherkraft kann die menschliche Haut als Feedback fungieren und es uns ermöglichen, anzupassen, wie wir einen Gegenstand stabil mit Händen und Fingern halten oder wie fest wir ihn greifen sollten.

Um diese Eigenschaft menschlicher Haut nachzuahmen, ist der weiche Tastsensor in eine mehrschichtige Struktur wie menschliche Haut integriert und umfasst einen flexiblen, speziell magnetisierten Film von ca. 0,5 mm Dicke als oberste Schicht. Wenn eine externe Kraft darauf ausgeübt wird, kann er die Änderung des Magnetfelds durch die Verformung des Films detektieren. Noch wichtiger: Er kann die externe Kraft automatisch in zwei Komponenten zerlegen: Normalkraft (die senkrecht zum Objekt ausgeübte Kraft) und Scherkraft, und liefert die genaue Messung dieser beiden Kräfte jeweils.

Zudem besitzt der Sensor eine weitere hautähnliche Eigenschaft: die taktile „Super-Auflösung“, die es ihm ermöglicht, die Position des Reizes so präzise wie möglich zu lokalisieren. Ein effizienter taktiler Super-Auflösungsalgorithmus nutzt Deep Learning, um eine 60-fache Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit für die Kontaktposition zu erreichen. Ein solcher taktiler Super-Auflösungsalgorithmus kann helfen, die physikalische Auflösung eines taktilen Sensorarrays mit der geringstmöglichen Anzahl an Sensoreinheiten zu verbessern, wodurch die Anzahl der Verkabelungen und die für die Signalübertragung benötigte Zeit reduziert werden.

Durch Montage des Sensors an der Fingerspitze eines Robotergreifers zeigte das Team, dass Roboter anspruchsvolle Aufgaben bewältigen können. Der Robotergreifer hielt zerbrechliche Objekte wie ein Ei stabil, während eine externe Kraft versuchte, es wegzuziehen, und fädelte eine Nadel per Teleoperation ein. Der Sensor kann leicht auf die Form von Sensorarrays oder sogar kontinuierliche elektronische Haut erweitert werden, die den ganzen Roboterkörper bedeckt.

Die Empfindlichkeit und der Messbereich des Sensors können durch Ändern der Magnetisierungsrichtung der obersten Schicht (Magnetfilm) des Sensors angepasst werden, ohne die Dicke des Sensors zu ändern. Dies ermöglicht der E-Skin, in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Empfindlichkeit und Messbereiche zu haben, genau wie menschliche Haut. Auch hat der Sensor einen viel kürzeren Fertigungs- und Kalibrierungsprozess im Vergleich zu anderen taktilen Sensoren.

Der Sensor könnte für Anwendungen im Robotikbereich nützlich sein wie adaptives Greifen, dextröse Manipulation, Texturerkennung, intelligente Prothesen und Mensch-Roboter-Interaktion.