Innovatives Form- und Kontakterkennungssystem erhöht die Sicherheit von Kontinuumsrobotern

Japan Advanced Institute of Science and Technology, Ishikawa, Japan

Wenn ein Mensch den Roboter berührt, ändert der Roboter seine Bewegung, um eine Kollision zu vermeiden. (Bild:Van Anh Ho von JAIST)

In der Natur weisen viele Organismen, wie Kraken mit ihren flexiblen Tentakeln oder Elefanten mit ihren Rüsseln, eine bemerkenswerte Geschicklichkeit auf. Inspiriert durch diese natürlichen Strukturen wollen Forscher hochflexible Kontinuumsroboter entwickeln, die Robustheit und Sicherheit bieten. Im Idealfall zeichnet sich ein Kontinuumsroboter durch viele Freiheitsgrade (DOFs) und eine größere Anzahl an Gelenken aus, als für die meisten Aufgaben erforderlich ist. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, ihre Form dynamisch anzupassen und zu verändern und so Hindernissen und unerwarteten Situationen auszuweichen. Aufgrund ihrer komplexen Bewegungen ist es jedoch schwierig, ihre Form und Bewegung zu charakterisieren.

Herkömmliche Analysetechniken zum Erhalten von Lösungen für die kinematischen und dynamischen Probleme von Kontinuumsrobotern basieren auf komplexer Modellierung, was den Rechenaufwand erhöht. Alternativ können in Kontinuumsroboter eingebaute flexible Sensoren verwendet werden, um deren Form und Bewegung zu verfolgen. Diese Methode erfordert jedoch viele Sensoren mit niedriger Auflösung, was das System umständlich macht. Eine vielversprechendere Lösung ist der Einsatz eines einzelnen Sensormoduls am Ende eines Kontinuumsroboters. Frühere Studien in dieser Richtung konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf die Körperhaltung des Roboters und befassten sich nicht mit der Kontakterkennung.

Um diese Lücke zu schließen, entwickelte ein Forscherteam aus Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Van Anh Ho vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ein neues System namens ConTac. Dieses System kann die Form und den Kontakt eines Roboterarms mit weicher Haut abschätzen.

Laut Dr. Ho besteht „das ultimative Ziel dieses Systems darin, in einem Kontinuumsroboter implementiert zu werden, aber in dieser Studie haben wir uns auf die Wahrnehmung konzentriert, indem wir einen beweglichen Roboterarm und weiche Haut zur Verifizierung verwendeten.“ Zum Team gehörten die Doktoranden Tuan Tai Nguyen und Quan Khanh Luu von JAIST sowie Dr. Dinh Quang Nguyen von der VNU-UET-Universität in Hanoi.

Das ConTac-System besteht aus einem Rückgrat, das die Biegung eines Kontinuumsroboters nachahmt, weicher Haut mit Markierungen, einer Kamera zur Beobachtung der Hautverformung, Modellen zur Form- und Kontakterkennung der Haut und einem kontaktbewussten Steuerungssystem. Dieses System kann ohne Kalibrierung auf jede ConTac-Einheit oder jeden anderen Roboter mit demselben Mechanismus und derselben Form angewendet werden.

Eine ConTac-Einheit ist ein zusammengebauter, kontinuumsemulierter Roboterarm mit Rückgrat und weicher Haut. Die Forscher entwickelten außerdem einen auf Admittanz basierenden Controller für dieses System, der Wahrnehmungsinformationen nutzt, um die Bewegungen des Roboterarms zu steuern. Darüber hinaus ist die ConTac-Einheit kostengünstig und kann aus herkömmlichen Materialien hergestellt werden

Dieses innovative System nutzt zwei Deep-Learning-Modelle zur Formrekonstruktion und Kontakterkennung der weichen Kontinuumshaut. Diese Modelle wurden vollständig mithilfe von Simulationsbildern trainiert und dann ohne Feinabstimmung direkt an reale Roboter angepasst, was Zeit und Ressourcen sparte. Die Übertragbarkeit des Systems wurde an zwei verschiedenen ConTac-Geräten getestet, die ohne zusätzliche Anpassungen eine ähnliche Leistung erbrachten.

Ho hob die Bedeutung dieser Studie hervor und sagte:„Das ConTac-System soll in einer Vielzahl von Robotersystemen eingesetzt werden, ohne dass komplexe Anpassungen erforderlich sind. Mit unserem System ausgestattete flexible Roboterarme eignen sich ideal für intelligente Landwirtschafts- und Gesundheitsdienste, bei denen Roboter durch Umgebungen mit vielen Hindernissen navigieren und sicher mit Menschen interagieren müssen. Ihre Weichheit und Flexibilität in Kombination mit der Fähigkeit, die Umgebung zu erfassen, machen sie perfekt für die Interaktion mit Pflanzen und Patienten.“

Die in diesem Rahmen verwendeten Sensor- und Steuerungsprinzipien könnten zu neuen taktilen Sensoren führen, die an jedes bestehende Robotersystem angeschlossen werden können und neue Sensor- und Steuerungsparadigmen für eine sichere Mensch-Roboter-Interaktion bieten, ohne das ursprüngliche Design des Roboters zu ändern. „Stellen Sie sich eine Gesellschaft vor, in der jeder Roboter und jede Maschine einen Tastsinn besitzt. Dieser Wandel würde die Industrie und das tägliche Leben revolutionieren“, sagte Dr. Ho.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Van Anh Ho unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; +81 761-51-1584.