Der Natur nachempfunden Pneumatische Robotik trifft auf künstliche Intelligenz

Redakteur: Silvano Böni

Ob greifen, halten oder drehen, tasten, tippen oder drücken – die menschliche Hand ist mit ihrer einzigartigen Kombination aus Kraft, Geschicklichkeit und Feinmotorik ein wahres Wunderwerkzeug. Was liegt da näher, als Roboter in kollaborativen Arbeitsräumen mit einem intelligenten Greifer auszustatten, der diesem natürlichen Vorbild nachempfunden ist?

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Um den Aufwand für die Verschlauchung gering zu halten, haben die Entwickler eigens eine kleinbauende, digital geregelte Ventil­insel konstruiert, die direkt unterhalb der Hand angebracht ist.
Um den Aufwand für die Verschlauchung gering zu halten, haben die Entwickler eigens eine kleinbauende, digital geregelte Ventil­insel konstruiert, die direkt unterhalb der Hand angebracht ist.
(Bild: 2019 Ruediger J. Vogel / Festo)

Pneumatik-Spezialist Festo präsentierte auf der Hannover Messe unter anderem die pneumatische Roboterhand BionicSoftHand, welche dem menschlichen Pendant in nichts nachstehen soll. Kombiniert mit dem BionicSoftArm, einem pneumatischen Leichtbauroboter, soll sie sich perfekt für die Mensch-­Roboter-Kollaboration eignen.

Damit die BionicSoftHand sicher und direkt mit dem Menschen interagieren kann, wird sie pneumatisch betrieben. Im Gegensatz zur menschlichen Hand besitzt die BionicSoftHand keine Knochen. Ihre Finger bestehen aus flexiblen Balgstrukturen mit Luftkammern. Umschlossen sind die Bälge in den Fingern von einem speziellen 3D-Textilmantel, der sowohl aus elastischen als auch hochfesten Fäden gestrickt ist. Damit kann über das Textil genau bestimmt werden, an welchen Stellen die Struktur sich ausdehnt und damit Kraft entfaltet und wo sie an der Ausdehnung gehindert wird. Dadurch ist sie leicht, nachgiebig, anpassungsfähig und sensibel, aber dennoch in der Lage, starke Kräfte auszuüben.

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Künstliche Intelligenz

Die Lernmethoden von Maschinen sind mit denen des Menschen vergleichbar: ob positiv oder negativ – sie benötigen eine Rückmeldung auf ihre Aktionen, um diese einordnen zu können und daraus zu lernen. Bei der BionicSoftHand kommt die Methode des Reinforcement Learning zum Einsatz, das Lernen durch Bestärken.

Das bedeutet: Statt einer konkreten Handlung, die sie nachahmen muss, bekommt die Hand lediglich ein Ziel vorgegeben. Dieses versucht sie durch Ausprobieren (Trial-and-Error) zu erreichen. Anhand des erhaltenen Feedbacks optimiert sie nach und nach ihre Aktionen, bis sie schliesslich die gestellte Aufgabe erfolgreich löst.

Proportionale Piezoventile für eine präzise Regelung

Um den Aufwand für die Verschlauchung der Bionic­Soft­Hand möglichst gering zu halten, haben die Entwickler eigens eine kleinbauende, digital geregelte Ventilinsel konstruiert, die direkt unterhalb der Hand angebracht ist. Dadurch müssen die Schläuche zur Ansteuerung der Finger nicht durch den kompletten Roboterarm gezogen werden. So lässt sich die BionicSoftHand mit nur je einem Schlauch für Zuluft und Abluft schnell und einfach anschliessen und in Betrieb nehmen. Mit den eingesetzten proportionalen Piezoventilen lassen sich die Bewegungen der Finger präzise regeln.

BionicSoftArm: ein Roboterarm, viele Variationsmöglichkeiten

Die strikte Trennung zwischen der menschlichen Arbeit und den automatisierten Aktionen von Robotern wird zunehmend aufgehoben. Ihre Arbeitsbereiche verschmelzen zu einem kollaborativen Arbeitsraum, in dem vor allem Roboter gefragt sein werden, die sich flexibel anpassen lassen und sich auf unterschiedliche Szenarien einstellen. Mit dem BionicSoftArm, einem flexiblen, pneumatischen Roboterarm, können in Zukunft Mensch und Maschine gleichzeitig dasselbe Werkstück bearbeiten, ohne dass sie voneinander abgeschirmt werden müssen.

Der BionicSoftArm ist eine kompakte Weiterentwicklung des BionicMotionRobot von Festo, dessen Anwendungsspektrum deutlich erweitert wurde. Möglich macht das sein modularer Aufbau: Er lässt sich mit bis zu sieben pneumatischen Balgsegmenten und Drehantrieben kombinieren. Damit ist er in Reichweite und Beweglichkeit maximal flexibel und kann bei Bedarf auch auf engstem Raum um Hindernisse herum arbeiten. Gleichzeitig ist er von Grund auf nachgiebig und kann gefahrlos mit
dem Menschen zusammenarbeiten. Eine direkte Mensch-Roboter-Kollaboration ist mit dem BionicSoftArm ebenso möglich wie der Einsatz in klas­sischen SCARA-Anwendungen, zum Beispiel Pick-­and-place-Aufgaben.

Flexible Anwendungsmöglichkeiten

Je nach Aufbau und montiertem Greifer lässt sich der modulare Roboterarm für die verschiedensten Anwendungen nutzen. Seine nachgiebige Kinematik erleichtert ihm die Anpassung an unterschiedliche Aufgaben an wechselnden Orten: Der Wegfall aufwendiger Sicherheitseinrichtungen wie Käfige oder Lichtschranken verkürzt die Umbauzeiten und ermöglicht so einen flexiblen Einsatz – ganz im
Sinne einer wandlungsfähigen und wirtschaftlichen
Fertigung. SMM

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