Innovatives Form- & Kontakterkennungssystem erhöht Sicherheit von Kontinuumsrobotern

Japan Advanced Institute of Science and Technology, Ishikawa, Japan

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

Natürliche Vorbilder: Oktopus & Elefant

In der Natur zeigen viele Organismen wie Oktopusse mit ihren flexiblen Tentakeln oder Elefanten mit ihren Rüsseln bemerkenswerte Geschicklichkeit. Inspiriert von diesen natürlichen Strukturen zielen Forscher darauf ab, hochflexible Kontinuumsroboter zu entwickeln, die Robustheit und Sicherheit bieten. Idealerweise zeichnet sich ein Kontinuumsroboter durch viele Freiheitsgrade (DOFs) und Gelenke aus – mehr als für die meisten Aufgaben nötig. Diese Eigenschaften ermöglichen es ihnen, ihre Form dynamisch anzupassen und zu modifizieren, um Hindernisse und unerwartete Situationen zu vermeiden. Ihre komplexen Bewegungen machen es jedoch schwierig, ihre Form und Bewegung zu charakterisieren.

Herausforderung: Komplexe Form- & Kontakterkennung

Traditionelle analytische Techniken zur Lösung kinematischer und dynamischer Probleme von Kontinuumsrobotern beruhen auf komplexer Modellierung, was den Rechenaufwand erhöht. Alternativ können in Kontinuumsroboter eingebaute flexible Sensoren verwendet werden, um ihre Form und Bewegung zu verfolgen, doch diese Methode erfordert viele Sensoren mit niedriger Auflösung, was das System unhandlich macht. Eine vielversprechendere Lösung ist die Verwendung eines einzelnen Sensormoduls am Ende eines Kontinuumsroboters. Bisherige Studien in diese Richtung fokussierten jedoch meist auf die Haltung des Roboters und adressierten nicht die Kontakterkennung.

ConTac-System: Form- & Kontakterkennung mit weicher Haut

Diese Lücke schließend entwickelte ein Forschungsteam aus Japan unter Leitung von Associate Professor Van Anh Ho vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ein neues System namens ConTac. Dieses System kann Form und Kontakt eines Roboterarms mit weicher Haut schätzen.

Laut Dr. Ho: „Das ultimative Ziel dieses Systems ist die Implementierung in einem Kontinuumsroboter, aber in dieser Studie fokussierten wir uns auf Wahrnehmung mittels eines gelenkigen Roboterarms und weicher Haut zur Verifikation.“ Das Team umfasste 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 Markern, einer Kamera zur Beobachtung der Hautverformung, Modellen für Form- und Kontaktsensing der Haut sowie einem kontaktbewussten Steuerungsregime. Dieses System kann auf jede ConTac-Einheit oder jeden anderen Roboter mit demselben Mechanismus und derselben Form ohne Kalibrierung angewendet werden.

Eine ConTac-Einheit ist ein zusammengebauter, Kontinuums-emulierter Roboterarm mit Rückgrat und weicher Haut. Die Forscher entwickelten auch einen admittanzbasierten Controller für dieses System, der Wahrnehmungsinformationen nutzt, um die Bewegungen des Roboterarms zu steuern. Zudem ist die ConTac-Einheit kosteneffizient und kann aus konventionellen Materialien gefertigt werden.

Deep Learning für Formrekonstruktion & Kontakterkennung

Dieses innovative System setzt zwei Deep-Learning-Modelle für Formrekonstruktion und Kontakterkennung der weichen Kontinuumshaut ein. Diese Modelle wurden vollständig mit Simulationsbildern trainiert und dann direkt auf echte Roboter übertragen, ohne Feintuning, was Zeit und Ressourcen spart. Die Übertragbarkeit des Systems wurde an zwei verschiedenen ConTac-Einheiten getestet, die ähnlich ohne zusätzliche Anpassungen performten.

Die Bedeutung dieser Studie hervorhebend, sagte Dr. Ho: „Das ConTac-System zielt darauf ab, in einer Vielzahl robotischer Systeme ohne komplexe Anpassungen eingesetzt zu werden. Flexible Roboterarme, ausgestattet mit unserem System, sind ideal für Smart Agriculture und Gesundheitsdienstleistungen, wo Roboter Umgebungen mit vielen Hindernissen navigieren und sicher mit Menschen interagieren müssen. Ihre Weichheit und Flexibilität kombiniert mit der Fähigkeit, die Umgebung zu sense, machen sie perfekt für die Interaktion mit Pflanzen und Patienten.“

Die in diesem Framework verwendeten Sensing- und Steuerungsprinzipien könnten zu neuen taktilen Sensoren führen, die an jedes bestehende Robotersystem angebracht werden können und neue Sensing- und Steuerungsparadigmen für sichere Mensch-Roboter-Interaktion bieten, ohne das ursprüngliche Design des Roboters zu verändern. „Stellen Sie sich eine Gesellschaft vor, in der jeder Roboter und jede Maschine einen Tastsinn besitzt. Diese Transformation würde Industrien und den Alltag revolutionieren“, sagte Dr. Ho.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Van Anh Ho unter vananh.ho@jaist.ac.jp; +81 761-51-1584.