Elastische Roboterarmkörper: Fluch oder Segen? (Teil 2)

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Grundsätzlich wird die strukturelle Elastizität in Roboter-Armkörpern bislang nachteilig gesehen. Sie verlängert Ausregelzeiten und verschlechtert die Positioniergenauigkeit. Allerdings wurde die Realisierbarkeit einer schnellen und genauen Positionierung eines gliedelastichen Roboterarms anhand von Ballfang-Experimenten exemplarisch gezeigt 1. Darüber hinaus kann die intrinsische Nachgiebigkeit jedoch auch vorteilhaft dazu ausgenutzt werden, die tatsächlich effektive Nachgiebigkeit des gesamten Arms aktiv zu beeinflussen. Wie im ersten Teil zu diesem Thema bereits dargestellt, setzt dies eine Kompensation der unerwünschten Effekte durch eine geeignete unterlagerte Regelung voraus. Dabei wurde die Wahrscheinlichkeit, auch zerbrechliche Objekte im Falle einer unvorhergesehenen Kollision zu beschädigen, deutlich gemindert.

Das obenstehende Video geht einen Schritt weiter. Beabsichtigte oder auch unbeabsichtigte Kontakte werden explizit auf Basis eines Modells der gedämpften Armdynamik detektiert und ermöglichen eine entsprechende Reaktion. Das Video stellt das gliedelastische Experimentalsystem TUDOR vor und zeigt insgesamt sieben Experimente zur Schwingungsdämpfung, zur Detektion genau wiederholbarer stumpfer wie auch scharfer Einschläge auf Luftballons sowie zerbrechlicher Christbaumkugeln, weniger exakt wiederholbarer Einschläge auf einen menschlichen Arm und schließlich zur physischen Interaktion mit dem Roboter.

Die Paare von Dehnungs-Messstreifen, die in der Nähe der Gelenke auf jedem nachgiebigen Arm appliziert sind, fungieren als lastseitige Drehmomentsensoren. Unter der Voraussetzung einer hinreichenden Schwingungsdämpfung kann die verbliebene Dynamik des Arms in Analogie zu konventionellen starren Roboterarmen modelliert werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht die unmittelbare Anwendung von Verfahren zur Kollisionsdetektion und -reaktion, wie sie zuvor bei gelenkelastischen sowie starren Roboterarmen vorgestellt worden sind 2 .

Die dargestellen Ergebnisse verdeutlichen, dass die strukturelle Elastizität in Roboter-Armkörpern nicht zwingend als nachteilig gesehen werden muss. Vielmehr können sich mit Hilfe entsprechender Regelungsansätze aus der Ausnutzung dieser Eigenschaften neue Möglichkeiten ergeben.

Elastische Roboterarmkörper – Fluch oder Segen?

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Die Vermeidung unerwünschter elastischer Effekte stellt eine große Herausforderung bei der Konstruktion von Robotern dar. Sie erschweren die präzise Positionierung des Roboterarms aufgrund statischer lastabhängiger Verbiegungen und schwingen nach jeder Bewegung nach. Vergleichbare Beispiele, bei denen Elastizitäten meist unerwünscht sind, finden wir fernab der Robotik bei Baumaschinen, wie Auto-Betonpumpen, Hubwagen aber auch Feuerwehrdrehleitern.

Wie wäre es, wenn auf die Steifigkeit bei der Auslegung einer Maschine weniger Wert gelegt werden müsste, da den damit einhergehenden unerwünschten Effekten mit regelungstechnischem Mitteln begegnet werden kann? Mechanische Strukturen könnten mit schlicht weniger Material leichter gebaut werden. Infolge dessen ließen sich Antriebe kleiner dimensionieren und hätten einen geringeren Energiebedarf.

Dieser Gedanke ist genau die Idee hinter dem Forschungsthema, dass ich bearbeite. Im Rahmen des Forschungsthemas haben wir den nachfolgend dargestellten gliedelastischen Roboterarm TUDOR als Experimentalsystem entwickelt.

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Das gliedelastische Experimentalsystem TUDOR

Er wird von drei bürstenlosen Gleichstrommotoren angetrieben und besitzt zwei Federstahlbalken als elastische Armkörper. Bei einer typischen Punkt-zu-Punkt-Bewegung der Antriebe treten Schwingungsamplituden von bis zu 10 cm auf.

Auf den Roboter-Konferenzen dieser Welt werden aktuell viele Beiträge zu Robotern mit elastischen Komponenten vorgestellt. Die elastischen Komponenten werden meist in die Robotergelenke integriert. Ein sehr heißes Thema sind vor allem Gelenke, bei denen sich die elastischen Eigenschaften der Komponenten aktiv variieren lassen. Die Elastizitäten bewirken, dass die aufgrund der hohen Getriebeübersetzung üblicher Roboterarme sehr großen Trägheitsmomente der Antriebe von den Trägheitsmomenten des übrigen Arms entkoppelt werden. Das bedeutet, dass im Falle eines physischen Kontakts mit dem Roboter der Interaktionspartner eine geringere Trägheit des Armes „sieht“. Damit kann beispielsweise eine Verringerung des Gefährdungspotenzials des Roboters erzielt werden. Auf der anderen Seite speichern die Elastizitäten zusätzliche Energie, die im Falle eine Kollision freigesetzt und wiederum ein erhöhtes Gefahrenpotential (Peitscheneffekt) zur Folge haben kann. Häufig werden Elastizitäten eingesetzt, um dem Roboter zu natürlicheren und auch dynamischen Bewegungen zu verhelfen. Es ist festzuhalten, dass durch eine geeignete Regelung gezielt eingesetzte elastische Komponenten zahlreiche Möglichkeiten eröffnen.

Aus regelungstechnischer Sicht sind die elastischen Eigenschaften in den Robotergelenken am einfachsten zu beherrschen. Hier ist die Elastizität entlang der Wirkachse der Antriebe konzentriert. Überwiegt die Elastizität in den Roboter Armkörpern, so sind die elastischen Eigenschaften entlang der Armkörper und senkrecht zur Wirkachse der Antriebe verteilt. Die dadurch entstehenden Laufzeiteffekte erschweren eine Regelung des Roboterarms. Dies mag der Grund sein, aus dem derzeit vorwiegend Arbeiten zu gelenkelastischen Roboterarmen publiziert werden.

Mit TUDOR hat uns zunächst die Frage interessiert, ob wir mit einem gliedelastischen Roboterarm trotz der Schwingungen und last- und konfigurationsabhängigen variablen Verbiegungen eine zielgerichtete Aufgabe präzise in geforderter Zeit erledigen können. Als Demonstration hierzu haben wir uns, wie im nachfolgenden Bild dargestellt, das Fangen eines Balles ausgedacht.

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Ballfangen-Szenario

Ein menschlicher Werfer wirft den Ball in Richtung des Roboters. Die Flugbahn wird mittels einer Kinect-Kamera ermittelt und der Durchstoßpunkt der Flugbahn mit der Bewegungsebene des Roboters berechnet. Bevor der Ball am Roboter vorbei fliegt, bewegt der Roboter ein am Armende montiertes Netz dorthin und fängt den Ball damit auf. Das Resultat haben wir im nachfolgenden Video zusammengefasst:

A multi-link-flexible robot arm catching thrown softballs.

Sofern die Schwingungen regelungstechnisch unterdrückt und Abweichungen aufgrund statischer Verbiegungen kompensiert werden können, ließen sich in manchen Anwendungen diese elastischen Eigenschaften vielleicht nicht mehr nur als Problem verstehen. Vielmehr könnten elastische Eigenschaften vielleicht auch ausgenutzt werden, um beispielsweise Kontaktsituationen zu erkennen und darauf zu reagieren. Mit aktiv geregelten moderat gelenkelastischen Roboterarmen wurde dies ja bereits eindrucksvoll gezeigt.

Bezüglich gliedelastischer Roboter ist die Dämpfung auftretender Schwingungen bislang noch das dominierende Thema in Publikationen.

In den vergangenen Tagen konnten wir hier womöglich einen ersten Schritt über die reine Schwingungsdämpfung hinaus machen. Basierend auf einer Kraftregelung ist es uns gelungen ein Regelungskonzept zu entwickeln, bei dem wir die Schwingungen der mechanischen Struktur eines Roboterarms unterdrücken und zugleich die Nachgiebigkeit aktiv beeinflussen können. Einige Experimente dazu haben wir in nachfolgendem Video festgehalten:

Video zur Kraftregelung eines gliedelastischen Roboterarms

In dem Regelungskonzept wird die Information über die auf die Robterarme einwirkenden Kräfte mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und individuell auf die Antriebsregler zurückgeführt. Auf diese Weise werden Schwingungen in der Armstruktur unterdrückt obgleich sie von der Gelenkbewegung oder der Interaktion mit der Umgebung herrühren. Zusätzlich lässt sich die Nachgiebigkeit des Roboterarms derart beeinflussen, dass wir mit sehr wenig Kraft den Roboterarm aus seiner aktuellen Position schieben können und die Wahrscheinlichkeit fragile Objekte bei einer unvorhergesehnen Kollision zu zerbrechen deutlich reduziert wird.

Also: elastische Roboterarmkörper – Fluch oder Segen? Trotz dieser Experimente sind noch zahlreiche Herausforderungen zu meistern und fragen zu beantworten. Dennoch scheint es mir, als schlummertem in den Elastizitäten der Armkörper nicht nur Probleme, sondern auch Potenziale.

Ich freue mich darauf zu sehen, wo die Reise noch hinführen wird.

Robuste Roboterhand vom DLR

Einen Vorgeschmack zur weiteren Entwicklung in der Robotik hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in den letzten Tagen geliefert:
Angetriggert von einem Artikel in der IEEE Spektrum, wie ich annehme, berichteten in den letzten Tagen allerhand englischsprachige Robotik-Blogs (z.B.) über die neue Roboterhand, die das DLR vorgestellt hat.

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Leichtbau-Hand des DLR

Die Hand sieht nicht nur spektakulär aus, ihre wahre Sensation liegt zum einen in ihrer Ähnlichkeit zur menschlichen Hand und vor allem in ihrer Robustheit. Die Ähnlichkeit zur menschlichen Hand liegt maßgeblich im (technische) Design begründet, das dem Bewegungsapparat der menschlichen Hand sehr Nahe kommt. Dass die Hand in den Blogs dieser Welt unter Bezeichnungen wie Super Robust Robot Hand geführt wird, ist darin begründet, dass das DLR zeigen kann, dass diese Hand selbst mehrere Schläge mit einem Hammer überlebt; mit nahezu allen bisherigen Robotik-Bauteilen absolut undenkbar. Vor allem, wenn sie dafür nicht in eine Schutzhülle eingepackt sein müssen und sich dabei noch so präzise bewegen können.

Hier im Video ist die Hand zu sehen und wie mit ihr umgegangen wird:

Leichtbau-Hand des DLR in Bewegung und grob behandelt

Schon auf der Automatica im letzten Jahr zeigte das DLR die Hand plus angeschlossenem Unterarm und zog damals schon viele Blicke auf sich. Dass die Robotik-Abteilung des DLR um Hirzinger plant, sozusagen als nächsten großen Wurf, dieses Designprinzip innerhalb der nächsten fünf Jahr in einen Vollkörper-Humanoiden fließen zu lassen, stimmt mich äußerst erwartungsvoll. Der Plan ist, so hört man aus eingeweihten Kreisen, innerhalb der nächsten fünf Jahre die Hardware des Roboter fertigzuhaben und in weiteren fünf Jahren den Roboter vollständig zu beherrschen, so dass er rennen und Treppen rauf- und runterspringen kann. Und wem ist das mehr zuzutrauen, als dem DLR, nachdem die Robotik-Abteilung zuletzt mit dem Leichtbau-Industriearm gezeigt hat, zu welchen technologischen Sätzen man dort in den Lage ist.

Was diese Hand so besonders robust macht, ist ihr durchdachtes Design, moderne Materialien, aber vor allem die Verwendung von künstlichen Sehnen zur Bewegung der Finger. Diese erlauben es, plötzlich auftretenden Kräften nachzugeben (wie zum Beispiel bei einem Aufprall), so dass die Struktur der Hand und die Elektronik von diesen Kräften nicht verletzt wird. Weiterhin wurden die Sehnen in einer Art und Weise verbaut, die es erlauben, ihre Steifigkeit zu verändern. Also etwa steife Sehnen für einen möglichst präzisen Griff und weniger steife Sehnen, wenn es darum geht, unbekannte Gegenstände zu ertasten, oder empfindliche Objekte sanft zu greifen.

Mit insgesamt 19 Freiheitsgraden ist die Hand außerdem ähnlich bewegungsfähig wie unsere Hand (die gerade einmal einen Freiheitsgrad mehr hat). Bei der Konstruktion haben die Bauer darauf achtgegeben, dass die Bewegungsabläufe der Finger denen menschlicher Finger sehr nahe kommen, was diese Hand insgesamt mit all den obigen Faktoren zur aktuell wahrscheinlich coolsten Roboterhand für Humanoide macht. Der Konferenzbeitrag 1 zu der Hand und diesem Arm wurde auf der HUMANOIDS-Konferenz im Dezember in Nashville folgerichtig mit dem Best Paper Award ausgezeichnet. Dort zeigte der Vortragende Grebenstein im Video, wie mit einem Baseball-Schläger auf den Arm eingeschlagen wird, ohne dass dieser Schaden nimmt. Und das – das macht es so beeindruckend – nicht etwa mit ausgeschalteten Motoren und schlaff herumhängend, sondern in voller Positionsregelung. Ein gehöriger Unterschied, muss man doch bislang mit Robotern jede Bewegung im Vorhinein in Simulation ausführen, um jede Kollision mit eigenen Körperteilen oder anderen Objekten und eine damit einhergehende Beschädigung des Roboters auszuschließen.

Auf den Humanoiden des DLR in diesem Design kann man nur gespannt sein. Mehr und mehr beeindruckende Humanoide hat man in den letzten zwei Jahren die Weltbühne betreten sehen. Aber ein Leichtbau-Roboter, der in jedem Detail so durchdacht und so technologisch fortgeschritten ist, wie es uns mit der DLR-Hand gezeigt wurde, dürfte ein neues Niveau erreichen.

Die neuen Beine des iCub

In der letzten Zeit habe ich einige Male über den iCub geschrieben. Das liegt zum Einen daran, dass ich bekennender iCub-Fan bin und zum Anderen daran, dass ich in letzter Zeit immer häufiger von Arbeitswegen mit ihm in Berührung komme. Endlich finde ich nun die Zeit, mal über eine neue Entwicklung des iCub zu schreiben, die ich schon seit einigen Monaten mit Spannung verfolge und zu der ich jetzt auch Bilder und Videos aus erster Hand zeigen kann: Die neuen Beine des iCub.

Der iCub ist im Rahmen des RobotCub-Projekts seit 2004 entstanden und wird seitdem kontinuierlich weiterentwickelt. Hauptsächlich bezog sich dies in den letzten Jahren auf Weiterentwicklung der Firmware und der iCub-Softwareumgebung, um die vorhandene Hardware immer besser, effektiver und einfacher nutzen zu können. Da der iCub als humanoide Forschungsplattform aber so erfolgreich ist, wird er konsequenterweise auch in Sachen Hardware weiterentwickelt. Kopf, Hände, Arme, Beine … für nahezu alle Teile existieren mehr oder weniger fortgeschrittene Pläne und Ansätze zur Weiterentwicklung.

Am CoR-Lab arbeiten wir zur Zeit noch mit der ersten Version des iCub, auf der Summer School jedoch durfte ich schon mit einer weiterentwickelten Version des iCub arbeiten, die über Kraftsensorik in Armen und Beinen verfügt. Diese Kraftsensoren können (noch relativ grob) Kontaktkräfte messen, die auf Arme und Beine einwirken. So erlaubt diese iCub-Version zum Beispiel, dass man den iCub bei der Hand nimmt und seinen Arm führt; ein bedeutender Fortschritt in der Interaktion von Mensch und Roboter, wenn man ihn anfassen und führen kann. Eine weitere faszinierende Möglichkeit ist, den Roboter in einen Nachgiebigkeits-Modus zu schalten. In diesem Modus reagiert der Roboter auf die Kräfte, die auf ihn wirken, auf die gleiche Art, wie es eine Feder tun würde: Bei kleiner Krafteinwirkung gibt der Roboter ein wenig nach, bei größerer Krafteinwirkung gibt der Roboter deutlicher nach. Der Roboter fühlt sich dadurch sanft und weich an. Dieser Modus, diese Art der Regelung, nennt sich Active Compliance (aktive Nachgiebigkeit). Ein Video mit dieser iCub-Version zeigt, wie Ugo diese Eigenschaften nutzt, um den iCub mit Spielzeug vertraut zu machen:

Der iCub wird geführt und kann Objekte ertasten

Bei meinem Besuch am IIT (Italien Institute of Technology in Genua) an einem Tag während der Summer School habe ich eine iCub-Version kennengelernt, die für das AMARSi-Projekt entwickelt wird und dieses Konzept noch weiter treibt. Dieser iCub (der vielleicht irgendwann einmal auf den Namen cCub, Compliant iCub, hören wird), hat nicht nur wie sein Vorgänger in Armen und Beinen jeweils einen Kraftsensor, sondern er verfügt über neue Gelenke, die jeweils sowohl weitere Kraftsensorik als auch echte mechanische Federn integrieren. Was diese integrierten Gelenk-Module in dem Betrachter auszulösen vermögen, wenn sich der iCub damit bewegt, ist eine der faszinierendsten Dinge, die ich in letzter Zeit in der Robotik gesehen habe. Die Kombination aus Active Compliance, also der durch Sensorik und Regelung simulierten Nachgiebigkeit, mit der realen Nachgiebigkeit der eingebauten mechanischen Fähigkeiten (Passive Compliance), bewirkt eine Natürlichkeit der Bewegung des Roboters, die im ersten Moment irritierend bis verstörend wirken kann.

Active Compliance allein macht die Interaktion mit dem Roboter schon deutlich natürlicher, und Bewegungen sehen weicher, runder und natürlicher aus. Nichtsdestotrotz bleibt der Eindruck beim Betrachter, dass es sich – tatsächlich – nach wie vor um eine Maschine handelt. Und genau dieser Eindruck scheint in dem Moment zu verschwinden, in dem zu der aktiven Nachgiebigkeit die echte (passive) Nachgiebigkeit der mechanischen Federung hinzukommt. Der Roboter bewegt sich damit offenbar in einer Art und Weise mit unterbewusst wahrgenommenen Schwingungen, die im menschlichen Hirn den Eindruck erwecken, hier würde sich ein biologisches Körperteil bewegen. Die mechanische Federung scheint ein ähnliches Muster aus Schwingungen und Oberschwingungen zu erzeugen, wie es menschliche Muskeln und Sehnen tun. Für mich war dies ein faszinierender, erschreckender Moment – als Robotiker allerdings positiv, was vermutlich nicht jedem Betrachter so ergeht. Nikos Tsagarakis, dessen Gruppe am IIT diese integrierten nachgiebigen Gelenke des iCub entwickelt, hat mir Fotos und Videos zugesandt und mir erlaubt, diese hier im Blog zu veröffentlichen. Zu sehen sind im folgenden Video die neuen Beine (noch ohne Oberkörper), wie sie balancieren und kleine Schritte tun. Ich weiß nicht, wie gut der beschriebene Effekt im Video erkennbar ist, wenn man ihn nicht live erlebt, aber dies ist der Versuch:

Die neuen Beine des iCub in Bewegung

Wer dies im Video nicht zu erkennen vermag, erfreut sich vielleicht an der Vorstellung des vergangenen AMARSi-Projekttreffens, als bei der Live-Demo dieser Beine grob geschätzt 40 Wissenschaftler, die in ihrem Leben schon hunderte Roboter gesehen haben, schweigend und mit großen Augen minutenlang diesen Beinen bei ihrer einfachen Bewegung zusahen.

Und hier die Beine nochmal in der Großaufnahme:

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Die neuen Beine des iCub (Foto: IIT)

Technisch Interessierte finden eine detailliertere Beschreibung dieser integrierten Aktuatoren in der Konferenzbeitrag zur ICRA 2009: A Compact Soft Actuator Unit for Small Scale Human Friendly Robots (kostenpflichtiger Zugriff via IEEE). Die weitere Entwicklung dieser iCub-Version wird weiterhin auf der Website des AMARSi-Projekts dokumentiert.

Compliance

Traditionell ist die Interaktion mit Robotern darauf beschränkt, dass dem Roboter Kommandos zugesandt werden (in der Regel als textuelle Kommandos, seltener per Sprache) und der Roboter über geeignete Sensorik (Kameras, Mikrofone, Laserscanner, …) seine Umgebung wahrzunehmen versucht. Was dabei in der Interaktion mit Menschen entsteht, ist allerdings häufig eine holprige, wenig natürliche und dadurch für Menschen oft anstrengende Interaktion. Dass man auf diese Art und Weise auch Menschen mit Robotern interagieren lässt, die nicht an der Entwicklung beteiligt waren und dadurch nicht Verständnis für diese Schwierigkeiten aufbringen, passiert daher eher selten.

Eine Form der Interaktion, die sehr viel natürlicher ist, weil sie durch die physische Rückkopplung sehr viel direkter ist, ist die direkte Berührung und damit das Führen des Roboters. Der Mensch fasst den Roboter an der Hand (sofern er eine solche besitzt) und leitet den Roboter an. In der Robotik ist dies ein relativ aktueller Zweig der sogenannten Mensch-Maschine-Interaktion (MMI, Human Machine Interaction – HMI). Im Umfeld der industriellen Robotik sind ähnliche Techniken unter den Begriffen Teach-In und Kinestethic Teaching zu finden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Roboter für diese Form der Interaktion auszustatten. Eine Möglichkeit ist es, die Hardware des Roboters bewusst so zu konstruieren, etwa durch die Integration von mechanischen Federn in Struktur des Roboters, dass dieser nachgiebig ist. Diese Art der Nachgiebigkeit wird in der Robotik bzw. Regelungstechnik als Passive Nachgiebigkeit (engl.: Passive Compliance) bezeichnet, da sie – einmal verbaut – das System ohne weiteres Zutun dauerhaft nachgiebig gestaltet.

Eine aufwendigere, aber dafür auch flexiblere Möglichkeit ist die Aktive Nachgiebigkeit (engl.: Active Compliance). Hierbei kann die Roboterhardware mechanisch völlig steif sein; die Nachgiebigkeit des Systems wird durch eine entsprechende Ansteuerung der Motoren simuliert. Dafür ist der Roboter mit Kraftsensorik ausgerüstet, die dem System konstant die auf den Roboter einwirkenden externen Kräfte meldet. Eine geschickte Regelung (Wikipedia) lässt den Roboter dann auf diese Kräfte auf die gleiche Art und Weise reagieren, wie es eine reale Feder tun würde: Bei kleiner Krafteinwirkung gibt der Roboter mit einer kleinen Bewegung nach, bei größerer Krafteinwirkung reagiert der Roboter mit einer deutlicheren Ausweichbewegung. Nicht, weil die Motoren nicht kräftig genug wären, den Kräften entgegenzuhalten, sondern weil dieses Verhalten den Eindruck eines weichen, nachgiebigen Systems erweckt und erwecken soll. Wie so eine Interaktion aussehen kann, zeigt das folgende Video:

Der iCub wird geführt und kann Objekte ertasten

Nachgiebigkeit ist dabei allerdings nicht allein für Interaktion eingesetzt; es ist auch ein enormer Sicherheitsaspekt. Ein Roboter, der mit seiner Umgebung (im schlimmsten Fall dem Menschen) kollidiert, weil er sie nicht richtig erkannt hat, richtet potentiell deutlich weniger Schaden an, wenn er nachgiebig ist;
Schaden an sich und der Umwelt. Dies gilt für passive Nachgiebigkeit, genauso wie für aktive Nachgiebigkeit, wie das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum im folgenden Video eindrücklich und mit offenbar ausreichend Vertrauen in die Technik beweist; am Ende des Videos mit Messer und einem menschlichen Probanden:

KUKA Lightweight Robot IV mit Kollisionserkennung