Text: Andreas Schmitz
MIRMI Aktuelles
ICRA 2024: MIRMI-Forschende mit Best Paper Award ausgezeichnet
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Was haben Sie herausgefunden?
Mehmet Can Yildirim: Gegenwärtig ist die dynamische Manipulation für Roboter auf Manipulatoren beschränkt, die Pick-and-Place-Aufgaben schnell bewältigen können. Menschen hingegen fallen verschiedene dynamische Manipulationsaufgaben relativ leicht; in der Bewegung Gegenstände zu werfen oder aufzufangen ist nichts Besonderes. Wenn wir diese Fähigkeit jedoch auf Roboter übertragen, stellt sich die Frage, wie wir Roboter dazu bringen können, derartige Bewegungen auszuführen.
Die modernste Antwort auf diese Frage ist der Einsatz von Robotern mit „gemeinsamen Elastizitäten“. Eine der grundlegendsten und am häufigsten verwendeten Gelenkarchitekturen ist der elastische Serienaktuator (SEA), bei dem zwischen dem Untersetzungsgetriebe und dem Verbindungsglied eine Feder eingebaut ist. Durch die vorübergehende Speicherung und Freigabe von Energie in den Federn können elastische Roboter starr angetriebene Systeme mit ähnlichen Motoreigenschaften übertreffen. Hochdynamische Manöver wie Springen, Treten und Werfen sind nun möglich. Der Zeitpunkt der Energiespeicherung und -abgabe ist jedoch nicht unabhängig. Daher können optimale Bewegungen für Systeme vom Typ SEA als „resonante Erregungssignale „charakterisiert werden, d. h. als oszillierende Aufschwingbewegungen, die die Eigenfrequenzen des Systems ausnutzen. Dieser Ansatz kann ineffizient und potenziell gefährlich sein. Unser Forschungsteam hat dafür ein neuartiges Bi-Stiffness-Actuation (BSA)-Design eingeführt hat.
Die Schlüsselinnovation des BSA liegt in seiner Fähigkeit, die Speicherung und Abgabe von Energie in der Feder des Aktuators unabhängig zu steuern. Im Gegensatz zur SEA ist die BSA nicht durch die Resonanz des Systems eingeschränkt. Dies ermöglicht eine präzisere Steuerung der Gelenkbewegung und höhere Geschwindigkeiten in kürzerer Zeit.
Was waren die größten Herausforderungen während Ihrer Forschung?
Mehmet Can Yildirim: Um zu zeigen, dass das BSA-Konzept angewandt werden kann, haben wir verschiedene Mechanismen durchgespielt, die die Bewegung der Feder begrenzen und gleichzeitig das Glied vom System entkoppeln können. Eine erste Hürde bestand darin, die Fähigkeit des Mechanismus nachzubilden, nahtlos zwischen einem "Haltezustand" und einem "entkoppelten" Zustand zu wechseln. Ein einfaches Ein- und Ausrasten der Feder unter Last würde zu einer unkontrollierten Freisetzung von Energie führen, ähnlich dem plötzlichen Aufdrehen eines Wasserhahns mit hohem Druck. Unser Team untersuchte verschiedene Designoptionen, wobei wir Lösungen bevorzugten, die zusätzliches Gewicht und Komplexität minimierten.
Ein wesentliches Hindernis bestand darin, den theoretischen Switch-and-Hold-Mechanismus von BSA in einen funktionsfähigen physischen Prototyp zu übertragen. Während das Konzept in Simulationen vielversprechend war, war die praktische Umsetzung nicht so einfach. Im Gegensatz zu bestehenden Aktuatorenkonstruktionen mit etablierten Einschränkungen haben wir mit BSA etwas Neues ausprobiert. Es gab also keine bestehenden Grenzen oder etablierte "Dos und Don'ts" aus früheren Studien.
Der Stand der Technik bei Robotergelenken ist so weit fortgeschritten, dass die notwendigen Zustände bekannt sind. Bei einem so neuen Konzept wussten wir jedoch nicht, welche Daten wir auf jeden Fall benötigen würden und welche nicht. Aus diesem Grund haben wir dem System mehrere Redundanzen hinzugefügt. Diese Redundanzen wurden nicht nur hinzugefügt, um unser Konzept zu kontrollieren, sondern auch um es zu untersuchen.
Wo sehen Sie praktische Szenarien für Ihre Forschung?
Mehmet Can Yildirim: Wie bereits erwähnt, sind wir Menschen in unseren Bewegungen nicht nur an einfache quasi-statische und pick-and-place-ähnliche Bewegungen gebunden; selbst für eine einfache Aufgabe können wir nun Objekte werfen und fangen, wenn wir wollen. Eine potenzielle Anwendung der BSA-Technologie besteht darin, Roboter in die Lage zu versetzen, dynamische Wurfbewegungen auszuführen. Derzeit übernehmen Roboter in Lagern und anderen industriellen Umgebungen vor allem Pick-and-Place-Aufgaben. Die Fähigkeit von BSA, hohe, kontrollierte Geschwindigkeiten zu erreichen, eröffnet Robotern die Möglichkeit, werfen zu können. Das erweitert ihr Einsatzspektrum erheblich. Stellen Sie sich einen Lagerroboter vor, der mühelos Kisten auf Paletten wirft oder Gegenstände sortiert, indem er sie in die dafür vorgesehenen Behälter wirft. Durch die Kombination der Dynamik des BSA mit der Präzision eines Roboters können wir uns vorstellen, dass Roboter Würfe nahtlos in ihre Aufgaben integrieren, was sie vielseitiger und effizienter macht.