Robotik 11.05.2001, 17:29 Uhr

Handschlag zwischen Mensch und Technik

Traditionelle und in der Produktion bewährte Standard-Greifer und auch Spezialgreifer bewältigen nicht jede Aufgabe souverän. Neuere Entwicklungen bemühen sich deshalb um größere Nähe zum menschlichen Vorbild. Sie könnten als Hightech-Prothesen auch eine fehlende Hand ersetzen.

Großer Auflauf in Hannover: Im Fachmarkt Motion, Drive & Automation der Industriemesse zeigte das Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (Ifas) der RWTH Aachen seine servopneumatische Kunsthand. In der Fabrik sieht Frank Bauer sie vorerst noch nicht werkeln. „Dafür ist sie zu teuer, solche Preise werden in der Produktion kaum akzeptiert.“ Der Gruppenleiter Pneumatik am Ifas denkt vorerst an eher abgehobenere Anwendungen, zum Beispiel für Greifer in der Weltraumfahrt.
Was aber nicht heißt, dass in irdischen Fertigungshallen kein Bedarf an Kunsthänden wie jener aus Aachen bestünde. Zwar bewältigen konkurrenzlos billige Standardgreifer, meist vom pneumatisch angetriebenen Zweifingertyp, heute rund drei Viertel aller Aufgaben. Bleibt aber noch ein erklecklicher Rest von 25 % Anwendungen, die Sondertypen verlangen.
Wie aber kommen Greifersysteme zu mehr Intelligenz? Eine mögliche Antwort lautet: „Mit mehr Sensorik und elektrischen Antrieben.“ So kann man die Greifer sehr gut ansteuern, deren Einstellungen und Greifkraft frei verändern. Doch das hat seinen Preis, weshalb diese elektronischen Typen bislang noch nicht überall hantieren. Und ob sie in näherer Zukunft den Hauch des Exotischen abstreifen, ist auch deshalb ungewiss, weil die pneumatischen Antriebe ihrerseits kräftig im Revier der Sonderanwendungen wildern, beispielsweise mit Systemen in Modulbauweise, wie sie etwa die Soester GMG Gesellschaft für modulare Greifersysteme schon heute am Markt anbietet.
Je nach Form und Beschaffenheit seines Objektes kann der Kunde Greifertypen verschiedener Geometrie und Bauform auswählen, variabel in der Zahl der Finger, von eins bis sechs. Auch die Länge der Finger und deren Bewegung sind variabel sie lassen sich in einem Greifer kombinieren und jederzeit wieder austauschen.
Den Antrieb besorgt ein beidseitig wirkender Pneumatikzylinder im Greiferkörper. Dieses Prinzip erlaubt es, mit nur einem Antrieb die verschiedenen Finger eines Greifers unabhängig voneinander und einzeln zu bewegen. Auch diese Spezialgreifer kosten mehr als Standardsysteme, sie haben aber ihren Markt, zum Beispiel bei der Montage von biegeelastischen Teilen.
Davon ist die Aachener Kunsthand noch ein Stück entfernt, wenngleich die Forscher am Ifas für die Zukunft durchaus industriellen Bedarf an mechanischen Nachbildungen der menschlichen Hand sehen: Die Vielfalt der Produkte nimmt zu, unterschiedliche Objekte sind bei der Herstellung zu greifen, zu manipulieren, zu montieren. Vorerst aber scheint der Einsatz in lebensfeindlicher Umgebung näher, neben dem Weltraum z. B. in der Tiefsee. Oder beim Management von Katastrophen, Störfällen in Chemieanlagen oder Kernkraftwerken: Hier wären solche Hände eine sinnvolle Ausrüstung für autonome mobile Roboter.
Anthropomorphe Greifsysteme entwickelten während der letzten Jahre Forschergruppen weltweit. Doch bislang waren diese meist elektrisch angetrieben, weil da sehr leistungsfähige miniaturisierte Servoantriebe zur Verfügung standen. Doch inzwischen sind auch die servopneumatischen Antriebe und Stellglieder weiterentwickelt worden, und es gibt heute sehr viel feinere Strukturen, um sie zu regeln. Neue Perspektiven also für Roboterhände.
Auch die Aachener Wissenschaftler setzen auf servopneumatische Antriebe. Es ist ihnen gelungen, sie stark zu miniaturisieren und in die Roboterhände zu integrieren. Das erlaubte ein Abbild der menschlichen Hand im Maßstab 1,5:1.
Während die Pneumatik vor allem bei linearen Antrieben verbreitet ist, dominieren gerade bei Dreh- und Schwenkbewegungen bislang elektrische Antriebsprinzipien. Um ihre Hand sozusagen pneumatisch rundum beweglich zu gestalten, verpassten die Aachener Entwickler ihr drei verschiedene Antriebsprinzipien: Pneumatikzylinder bewegen die Segmente der einzelnen Finger, indem ein Bandsystem die Linearbewegung in eine Schwenkbewegung umwandelt ein Schwenkflügelantrieb lässt die beiden äußeren Langfinger und den Daumen zudem einknicken und ein Zylinder-Hebelantrieb spreizt diese Finger.
Außerdem enthält die Hand je 22 Druck- und Winkelsensoren. Mit ihrer Hilfe werden ganz unterschiedliche Bewegungsabläufe der einzelnen Finger über die Gelenkantriebe ausgeführt: Die Winkelregelung sorgt dafür, die Finger zu positionieren, etwa vor Ablauf des Greifvorgangs die Kraftregelung hingegen vermittelt den richtigen Kontakt zwischen der Hand und dem gegriffenen Gegenstand.
Bisher konzentrierten sich die Arbeiten am Aachener Ifas auf die Hardware. Nun geht es darum, für die miniaturisierten Antriebe neue Reglerstrukturen zu entwerfen und Algorithmen für die Bahnplanung der Greiffingerspitzen in die Steuerung zu integrieren. Dann erst wird die volle Leistungsfähigkeit verfügbar sein. So könnte die pneumatische Hand vielleicht auch für die Medizin nützlich sein, als überaus präziser Helfer des Operateurs oder in der Prothetik.
Genau diesen Bereich hat man am Forschungszentrum Karlsruhe bei einer anderen Entwicklung von vornherein im Blick gehabt. Das definierte dann die gesuchten Eigenschaften: Eine solche Handprothese soll leicht sein, vor allem aber möglichst viele Bewegungsmuster beherrschen, die denen des Originals weitgehend gleichen.
Auch hier vertrauen die Ingenieure auf neue Antriebselemente, um diese Forderungen zu erfüllen: Mit Fluid-Aktoren bauten sie inzwischen verschiedene künstliche Hände, deren Beweglichkeit und Dynamik sie schon recht nahe am menschlichen Vorbild sehen. Im Grunde besteht der Aktor aus einer Kammer, in die über einen Steuerkanal Luft oder Flüssigkeit fließt. Baut man die Wände aus geschichteten Polymerfolien, so lassen sich die Aktoren sehr flach halten. Für höhere Belastungen eignen sich faserverstärkte Kunststoffe. In allen Fällen aber verformt sich die Kammer beim Einströmen, und diese Änderung des Volumens wird dann in eine mechanische Bewegung umgesetzt. BERND EUSEMANN/Käm

 

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