Image: Feinfühlige Roboter als ZukunftstechnologieFERCHAUFERCHAU„Soft Robotics“ verbessern die Beziehung zwischen Mensch und Maschine | MATJAZ SLANIC
TrendTechnikNeue Impulse in der Robotik

Fein­füh­lige Roboter als Zukunfts­tech­no­logie

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Monique Opetz

Monique Opetz

Freie Journalistin

In dem noch jungen Forschungs­ge­biet „Soft Robotics“ richten Entwickler ihren Fokus auf elastische Materialien. Die Herausfor­de­rung dabei: die „weichen“ Roboter so zu programmieren, dass sie nachgiebig und anpassungs­fähig werden. Für die Zusammen­ar­beit zwischen Mensch und Maschine eröffnen sich dadurch zahlreiche neue Möglichkeiten.

14. März 2018

Weich und biegsam wie ein Elefanten­rüssel bewegt sich der Robotergreifer auf einen birnenför­migen Gegenstand zu, den er mit seinen drei Fingern problemlos umschließt. Dieser „Bionische Handling-Assistent“ der Firma Festo ist eines der ersten Projekte aus dem Bereich Soft Robotics in Deutschland. Auch beim „Octopus Gripper“ ließen sich die Entwickler von der Natur inspirieren: Der bionische Greifer besteht aus Silikonten­ta­keln mit Saugnäpfen, die sich pneumatisch steuern lassen. Diese frei beweglichen und nachgiebigen Assistenz­sys­teme können Objekte nicht nur sensibel und sicher greifen, sondern können ohne Verletzungs­ge­fahr für die Interaktion mit dem Menschen eingesetzt werden. Sollte es bei einer Zusammen­ar­beit zu einer Kollision kommen, gibt der Greifer sofort nach und stellt kein Risiko dar, wie konventio­nelle Fabrikro­boter, die deshalb von den Produkti­ons­ar­bei­tern abgeschirmt werden müssen.

Fundamental neue Herangehens­weise

In Hinblick auf unregelmä­ßige Gegebenheiten bietet der neue Forschungs­zweig enormes Potenzial. „Nachgiebig­keit spielt eine zentrale Rolle bei Strukturen, die sich auf Ungenauig­keiten einstellen müssen. Soft Robotics ist eine fundamental andere Herangehens­weise an Robotik, die mehr auf Interaktion und unbekannte Umgebungen eingeht“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Alin Albu-Schäffer, Leiter des Instituts für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Es stellt sich heraus, dass in komplexeren Umgebungen, in denen präzise Positionie­rungen nicht gewährleistet werden können, ein adaptives, taktiles Verhalten erfolgsver­spre­chender ist.“ Wenn beispiels­weise ein Werkstück größer sei oder weiter links läge als normaler­weise, seien andere Anforderungen nötig. Die Herangehens­weise der Soft Robotics eröffnet neue Einsatzge­biete außerhalb genormter Fabrikhallen und wiederkeh­render Bewegungs­ab­läufe – insbeson­dere was die adaptive Interaktion zwischen Mensch und Maschine angeht. Doch wie bringt man einem Roboter Nachgiebig­keit überhaupt bei?

Feinfühlige Assistenz­sys­teme

Im DLR-Projekt SMiLE entwickeln Albu-Schäffer und sein Team „softe“ Assistenz­sys­teme, die beispiels­weise Menschen mit motorischen Einschrän­kungen im Alltag unterstützen sollen. Die nachgiebige Ganzkörper­re­ge­lung des feinfühligen Leichtbau­ro­bo­ters Rollin‘ Justin funktioniert über Stereoka­meras, Gleichge­wichts­sen­soren und Drehmoment­sen­soren in fast allen Gelenken. 51 Freiheits­grade ermöglichen dem Servicero­boter mehrere Ziele zu verfolgen, hierarchisch zu agieren und dabei nachgiebig auf Kollisionen mit der Umwelt zu reagieren. Herkömmliche Roboter, wie etwa der LBR iiwa von Kuka oder der ABB YuMi sind mit sieben Bewegungs­frei­heiten ausgestattet.

Die Steuerung des feinfühligen Leichtbau­ro­bo­ter­arms EDAN funktioniert mit Hilfe von Muskelsi­gnalen, die auf der Hautober­fläche des Nutzers gemessen und anschlie­ßend elektronisch verarbeitet werden. Um den am Rollstuhl befestigten Roboterarm zu bedienen, setzen die Entwickler auf Shared-Control-Techniken. Das heißt der Roboter nutzt sein bereits angeeignetes Wissen, um die Intention des Nutzers vorherzu­sagen und zu unterstützen. Erkennt das System, dass der Mensch ein Glas greifen möchte, passt es bisherige Bewegungs­kom­mandos an und führt die Hand sicher zum Glas, um es zu umschließen.

Material­ent­wick­lung steht noch am Anfang

Während Abu-Schäffer unter Soft Robotics generell ein nachgiebiges, sicheres und interaktives Verhalten zwischen Mensch und Roboter versteht, das durch Soft- oder Hardware realisiert werden kann, konzentriert sich ein Teil der Soft Robotics Community auf die reine Material­ent­wick­lung. So auch das Team rund um Prof. Dr.-Ing. Annika Raatz vom Institut für Montagetechnik am Produkti­ons­tech­ni­schen Zentrum der Leibniz Universität Hannover mit dem Programm „Soft Material Robotic Systems“. Das Projekt ist eines der neuen Schwerpunkt­pro­gramme der Deutschen Forschungs­ge­mein­schaft (DFG) 2018. „In der Material­ent­wick­lung gibt es noch viel zu tun, etwa im Bereich funktions­in­te­grierter Materialien mit Sensorik, also einer struktur­in­hä­renten Sensorik“, berichtet die Koordina­torin des Programmes. „Die Crux bei weichen Materialien ist, dass sie nicht immer absolut weich sein sollten. Wenn ich etwas aufnehmen möchte, dann muss ich ja zum Teil auch Kräfte aufbringen können.“ Hierfür müsse die Steifigkeit in Strukturen variabel gestaltet werden. Als vielverspre­chend gelten in der Soft-Robotics-Forschung Silikone, Silikonkau­tschuk wie Elastosil oder PDMS, ein Polymer auf Silizium­basis. Und auch die Programmie­rung flexibler Materialien fordert die Forscher heraus: „Bei soften Strukturen ergeben sich unendliche Freiheiten, die komplett andere Regelungs­her­aus­for­de­rungen zur Folge haben“, erklärt Raatz und sieht die Lösung in „Morpholo­gical Computation“. Hier werde versucht über den Roboter selbst eine Bewegung zu erzeugen. Da es ansonsten schwierig sei die unendliche Anzahl an Freiheiten zu programmieren und ihm eine Bahn vorzugeben. „Die Idee ist, dass sich der Roboter durch die Interaktion mit der Umgebung seine Bahn eigenständig raussuchen kann.“

Soft Robotics als Mannschafts­dis­zi­plin

Das Schwerpunkt­pro­gramm der DFG läuft sechs Jahre – ein enger Zeitrahmen, laut Raatz. Ihr Ziel für das Projekt? „Erfahrungen zu sammeln und Methoden zu entwickeln, wie wir weiche Materialien möglichst nutzbrin­gend einsetzen können.“ Denn zukünftig sollen flexible, nachgiebige Roboter im Assistenz- und Servicebe­reich sowie in der invasiven Medizin eine große Rolle spielen. Dabei werde Soft Robotics nur als Mannschafts­dis­zi­plin Erfolg haben, betont die Robotik-Forscherin, denn Entwickler aus den Ingenieurs­wis­sen­schaften, der Informatik, den Material- und Naturwis­sen­schaften, bis hin zur Biomechanik müssen eng vernetzt zusammen­ar­beiten.