3D gedruckte Roboterhand ist sanft und stark

Ein von „origami magic ball“ inspiriertes Greifgerät kann eine Vielzahl empfindlicher und schwerer Gegenstände erfassen.

Vor fünfzig Jahren stellte der erste Industrieroboterarm (Unimate) ein einfaches Frühstück mit Toast, Kaffee und Champagner zusammen. Obwohl es wie eine nahtlose Leistung aussah, wurde jede Bewegung und Platzierung mit sorgfältiger Überlegung codiert.

Selbst mit den heute intelligenteren und anpassungsfähigeren Robotern bleibt diese Aufgabe für Maschinen mit starren Händen schwierig. Sie neigen dazu, nur in strukturierten Umgebungen mit vordefinierten Formen und Positionen zu arbeiten, und können normalerweise nicht mit Unsicherheiten bei der Platzierung oder Form fertig werden.

In den letzten Jahren haben sich Robotiker jedoch mit diesem Problem befasst, indem sie aus weichen, flexiblen Materialien wie Gummi Finger machen. Dank dieser Biegsamkeit können diese weichen Roboter alles aufnehmen, von Trauben über Kartons bis hin zu leeren Wasserflaschen. Sie sind jedoch immer noch nicht in der Lage, große oder schwere Gegenstände zu verarbeiten.

Um diesen weichen Robotern ein wenig zur Hand zu gehen, haben Forscher des MIT und der Harvard University einen neuen Greifer entwickelt, der sowohl weich als auch stark ist: Eine kegelförmige Origami-Struktur, die in Gegenstände zerfällt, ähnlich wie eine Venus-Fliegenfalle, die das 100-fache ihres Gewichts heben können. Durch diese Bewegung kann der Greifer eine viel breitere Palette von Gegenständen erfassen – wie Suppendosen, Hämmer, Weingläser, Drohnen und sogar ein einzelnes Brokkoliblüten.

“Einer meiner Visionen besteht darin, einen Roboter zu entwickeln, der Lebensmittel automatisch verpackt”, sagt MIT-Professorin Daniela Rus, Direktorin des Laboratoriums für Informatik und künstliche Intelligenz des MIT (CSAIL) des MIT und einer der leitenden Autoren einer neuen Arbeit über das Projekt.

„Bisherige Ansätze für das Verpackungsproblem konnten nur sehr begrenzte Klassen von Objekten bewältigen – Objekte, die sehr leicht sind oder Objekte, die Formen wie Kästen und Zylindern entsprechen -, aber mit dem Magic Ball-Greifersystem haben wir gezeigt, dass wir auswählen können -und-Ort-Aufgaben für eine Vielzahl von Produkten, die von Weinflaschen über Brokkoli, Trauben und Eier reichen“, sagt Rus. „Mit anderen Worten, schwere Objekte und leichte Objekte. Objekte, die empfindlich oder robust sind oder regelmäßige oder freie Formen haben.”

Das Projekt ist eines von mehreren in den letzten Jahren, bei dem Forscher mit dem Roboterdesign über den Tellerrand schauen. Kugelförmige Greifer können zum Beispiel einen größeren Bereich von Objekten als Finger handhaben, haben jedoch immer noch das Problem, dass der Winkel begrenzt ist. Weiche Roboterfinger verwenden normalerweise Druckluft, sind jedoch nicht stark genug, um schwerere Objekte aufzunehmen.

Der Aufbau dieses neuen Greifers hat eine völlig andere Form. Das kegelförmige, hohle und vakuumbetriebene Gerät wurde vom “origami magic ball” inspiriert und kann ein ganzes Objekt einhüllen und es erfolgreich aufnehmen.

Der Greifer besteht aus drei Teilen: der auf Origami basierenden Skelettstruktur, der luftdichten Haut, die die Struktur umgibt, und dem Konnektor. Das Team entwickelte es mit einer mechanischen Gummiform und einem speziellen wärmeschrumpfenden Kunststoff, der sich bei hohen Temperaturen selbst faltet.

Das Skelett des magischen Balls ist entweder mit einem Gummiballon oder einer dünnen Stoffbahn bedeckt, was der vorherigen Forschung des Teams über von Origami inspirierte künstliche Muskeln, die aus einem luftdichten, um ein faltbares Skelett und einer Flüssigkeit umgebenden Körper bestanden, bestand.

Das Team verwendete den Greifer mit einem Standardroboter, um seine Stärke an verschiedenen Objekten zu testen. Der Greifer konnte Objekte mit einem Durchmesser von 70 Prozent ergreifen und anheben, sodass er eine Vielzahl weicher Lebensmittel aufnehmen und halten konnte, ohne Schaden zu verursachen. Es könnte auch Flaschen mit einem Gewicht von über vier Pfund aufnehmen.

“Unternehmen wie Amazon und JD möchten ein breiteres Spektrum an empfindlichen oder unregelmäßig geformten Objekten aufnehmen können, aber nicht mit Finger- und Saugnapf-Greifern”, sagt Shuguang Li, ein gemeinsamer Postdoc bei CSAIL und Harvard John A. Paulson Schule für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaften. “Saugnäpfe können nichts mit Löchern aufnehmen – und sie benötigen etwas Stärkeres als einen Greifer auf der Basis eines weichen Fingers.”

Der Roboter arbeitet derzeit am besten mit zylindrischen Gegenständen wie Flaschen oder Dosen, was ihn möglicherweise zu einem Vorteil für Produktionslinien in Fabriken machen könnte. Es überrascht nicht, dass die Form des Greifers es schwieriger macht, etwas flach zu erfassen, wie ein Sandwich oder ein Buch.

“Eines der Schlüsselmerkmale dieses Ansatzes beim Manipulatorbau ist seine Einfachheit”, sagt Robert Wood, Co-Autor und Professor an der Harvard School of Engineering und dem Wyss Institute for Biological Inspired Engineering. “Die verwendeten Material- und Fertigungsstrategien ermöglichen es uns, schnell neue Greifer zu entwickeln, die je nach Bedarf an das Objekt oder die Umgebung angepasst werden.”

In Zukunft hofft das Team, das Winkel- und Orientierungsproblem lösen zu können, indem es eine Computer-Vision hinzufügt, die den Greifer “sehen” lässt und es ermöglicht, bestimmte Teile von Objekten zu erfassen.

„Dies ist ein sehr cleveres Gerät, das die Kraft des 3D-Druckens, eines Vakuums und soft Robotik nutzt, um das Problem des Greifens auf eine völlig neue Art anzugehen“, sagt Michael Wehner, Assistenzprofessor für Robotik an der University of California in Santa Cruz, der nicht an dem Projekt beteiligt war. “In den nächsten Jahren könnte ich mir vorstellen, soft Robotik zu sehen, die sanft und geschickt genug sind, um eine Rose zu pflücken, aber stark genug, um einen Krankenhauspatienten sicher zu heben.”