Weiche und unteraktuierte Roboterhände: Warum weniger Motoren besser greifen

Von starren Backen zu Händen, die nachgeben

Jahrzehntelang war der Standard-Robotergreifer ein Paar starrer Backen mit einem Motor. Das funktioniert gut, wenn der Gegenstand vorher bekannt ist und an einer festen Stelle liegt, etwa am Montageband. Es funktioniert schlecht, wenn Formen wechseln, die Position unsicher ist oder der Gegenstand zerbrechlich ist.

Die Gegenidee war, die menschliche Hand vollständig nachzubauen: rund zwanzig Gelenke, jedes mit eigenem Motor oder Sehnenpaar, Sensoren in den Fingerkuppen und ein leistungsfähiger Rechner, der alles koordiniert. Solche Hände zeigten, was mechanisch möglich ist, waren aber schwer, teuer und mühsam zu programmieren. Schon ein kleiner Fehler bei der geschätzten Lage eines Gegenstands reichte, damit ein Finger ihn wegschob.

Weiche und unteraktuierte Hände gehen einen Mittelweg. Sie akzeptieren, dass die Steuerung nicht alles weiß, und lassen den Körper der Hand einen Teil der Aufgabe lösen.

Unteraktuierung: ein Motor, viele Gelenke

In einer unteraktuierten Hand treibt ein einzelner Motor oder eine kleine Zahl von Motoren viele Gelenke an. Eine verbreitete Bauweise nutzt eine Sehne, die durch alle Glieder eines Fingers läuft. Zieht der Motor an der Sehne, beginnt der Finger sich zu schließen. Sobald ein Glied den Gegenstand berührt und stoppt, bewegen sich die übrigen weiter, bis auch sie anliegen. Der Finger hat sich um die Form gelegt, ohne dass die Steuerung einen einzigen Gelenkwinkel berechnet hat.

Manche Konstruktionen gehen weiter und führen eine Sehne durch alle Finger, teils über Umlenkrollen oder ein Differenzial, das die Kraft aufteilt. Dann erzeugt ein einziger Befehl wie „schließen“ einen Griff der ganzen Hand, der sich an einen Ball, eine Flasche oder einen Werkzeuggriff anpasst. Das ist auch der Kern der Hände, die auf Synergien beruhen, wie sie die Seite über Hand-Synergien und das vereinfachte Greifen erklärt.

Nachgiebigkeit: Warum Ausweichen hilft

Nachgiebigkeit bedeutet, dass die Hand nachgibt, wenn eine Kraft auf sie wirkt. Konstrukteure erreichen das mit Federn in den Gelenken, elastischen Bändern, flexiblen Werkstoffen oder mit Motoren, die so geregelt werden, dass sie sich wie Federn verhalten.

Nachgiebigkeit hat drei große Vorteile:

• Anpassung. Die Finger legen sich an die Form des Gegenstands und verteilen den Kontakt auf eine größere Fläche. Das braucht weniger Kraft und schont empfindliche Dinge.
• Robustheit. Stößt die Hand an einen Tisch oder liegt der Gegenstand nicht dort, wo die Kamera ihn vermutet hat, biegen sich die Finger, statt zu brechen oder etwas umzuwerfen.
• Sicherheit. Eine Hand, die nachgibt, ist für Menschen, die neben dem Roboter arbeiten, weniger gefährlich.

Ein verwandtes Forschungsfeld beschäftigt sich mit Robotern mit veränderlicher Steifigkeit. Dabei lässt sich die Steifigkeit eines Gelenks während der Bewegung ändern: weich, wenn Kontakt wahrscheinlich ist, steif, wenn Präzision oder Kraft gefragt sind. Menschliche Muskeln machen etwas Ähnliches, wenn wir vor einem Hammerschlag Beuger und Strecker zugleich anspannen und das Handgelenk versteifen.

Beispiele für Bauweisen

In Forschung und Industrie haben sich mehrere Familien weicher Hände entwickelt:

• Sehnengetriebene Hände mit elastischen Gelenken. Starre Fingerglieder, verbunden durch Bänder, die sich dehnen, verdrehen und sogar gefahrlos ausrenken und zurückspringen können. Ein bekanntes Beispiel ist die in Italien entwickelte Pisa/IIT SoftHand, bei der ein einziger Motor über eine Sehne alle Finger schließt.
• Pneumatische Softgreifer. Finger aus Silikon mit inneren Luftkammern, die sich beim Aufblasen krümmen. Sie sind für Lebensmittel und Pakete beliebt.
• Granulat-Greifer (Jamming). Ein weicher, mit Körnchen gefüllter Beutel formt sich um einen Gegenstand und wird starr, sobald die Luft abgesaugt wird.
• Finger nach dem Fin-Ray-Prinzip. Kunststofffinger mit inneren Rippen, die sich beim Andrücken zum Gegenstand hin biegen, inspiriert von Fischflossen.

Jede Bauweise ist eine andere Antwort auf dieselbe Frage: Wie viel Intelligenz lässt sich aus der Software in die Mechanik verlagern?

Die Grenzen weicher Hände

Weiche und unteraktuierte Hände können sehr gut festhalten. Weniger gut sind sie darin, einen Gegenstand in der Hand zu bewegen. Einen Stift zwischen den Fingern drehen, tippen oder eine kleine Schraube greifen und drehen erfordert die unabhängige Steuerung einzelner Finger. Mit nur einem oder zwei Motoren ist das schwierig.

Die Forschung versucht, diese Lücke zu schließen, etwa mit einem zweiten Motor für ein anderes Griffmuster, mit sperrbaren Gelenken oder indem die Umgebung genutzt wird, zum Beispiel indem ein Gegenstand vor dem Anheben am Tisch entlang in eine bessere Lage geschoben wird. Eine weitere Grenze ist die Wahrnehmung: Eine Hand, die sich mechanisch anpasst, weiß nicht automatisch, wie fest sie etwas hält. Deshalb werden weiche Bauweisen oft mit taktilen Sensoren und Kraftrückmeldung kombiniert, wie sie die Seite über Haptik und Tastsinn beschreibt.

Vom Roboter zur Prothese

Die Argumente für weiche Hände am Roboter gelten für Handprothesen noch stärker. Eine Prothese muss leicht sein, Stöße und Stürze überstehen und mit sehr wenigen Signalen aus den Muskeln der Trägerin oder des Trägers auskommen. Eine Hand, die sich von selbst um einen Gegenstand schließt, verringert die geistige Anstrengung beim Greifen. Wie diese Ideen in heutigen Prothesen auftauchen, erklärt der Ratgeber zu bionischen und myoelektrischen Handprothesen.

Zusammenfassung

Weiche und unteraktuierte Roboterhände ersetzen einen Teil der Steuerungsaufgabe durch kluge Mechanik. Weniger Motoren, elastische Gelenke und weiche Oberflächen lassen die Hand sich an Gegenstände anpassen, die sie nie zuvor gesehen hat. Das Ergebnis ist robustes, bezahlbares Greifen, auf Kosten feiner Geschicklichkeit. Wie Greifen und Tasten zusammenhängen, zeigt die Übersicht zu Roboterhänden und Tastsinn.