Robotertools und Manipulatoren -Roboterhändevon Andreas Vogel

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1 Robotertools und Manipulatoren -Roboterhändevon Andreas Vogel Proseminar Anwendungen und Methoden in der modernen Robotik Seminarleiter: Prof. Dr. Jianwei Zhang

2 Inhalt Bedeutung der menschlichen Hand Roboterhände allgemein Antrieb von Roboterhänden Problematik der Konstruktion Drei ausführliche Beispiele Welche gibt es noch? Vor- und Nachteile von Roboterhänden (Diskussion) Quellen 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 2

3 Bedeutung der menschlichen Hand Gegenstände greifen Gegenstände als Werkzeug nutzen (Manipulator) Sinnesorgan zur Wahrnehmung der Umwelt Gestik Die menschliche Hand ist bei der Entwicklung künstlicher Hände immer noch ein unerreichtes Vorbild! 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 3

4 Roboterhände allgemein (industrieller) Greifer Mehrfingergreifer Anthropomorphe Hand menschliche Hand 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 4

5 (Industrielle) Robotergreifer Greifer und zu greifendes Objekt sind aufeinander abgestimmt ( erforderliche Zuverlässigkeit) Wenige Freiheitsgrade (beschränkt auf bestimmte Funktionen) Minimale Sensorik 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 5

6 Mehrfingergreifer Ziel: Objektmanipulation mit Fingern Häufig nicht an menschlicher Hand orientiert Unter technischen Aspekten optimiert Schritt zur Mobilität mit wechselnden Aufgaben Flexibler einsetzbar Mehrere Freiheitsgrade Mehrgelenkige Finger Aufwendigere Sensorik Beispiel: Barrett-Hand 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 6

7 Anthropomorphe Hände Teleoperation Menschenähnliche Gestaltung Beispielsweise Datenhandschuh als Eingabegerät Ziel: in gefährlicher Umgebung aus der Ferne arbeiten Problem: Feedback (Zeitverzögerung, Kraft etc.) Schritt zum teilautonomen und autonomen Greifen (siehe NASA-Forschung) Beispiel: DLR II Hand, Robonaut 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 7

8 Antrieb von Roboterhänden Elektrisch Gleichstrommotoren im Unterarm, in Handfläche oder Fingern Kraftübertragung über Seilzüge und verschiedene Getriebe Probleme: Hohe Systemsteifheit Ohne Eingriff der Regelung schnell große Kräfte bei Objektkontakt Hydraulisch, pneumatisch Zylinder Flexible Aktoren, die nach Kontraktions- oder Expansionsprinzip arbeiten Vorteil: Verhalten nicht so starr 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 8

9 Problematik der Konstruktion Objekte greifen und manipulieren, die nicht roboterkompatibel designed wurden. Vielfalt an Aufgaben (z.b. Glas halten, Stift aufheben, Klavier spielen) Vielzahl an Bereichen an Entwicklung beteiligt Mechanik, Antriebe, Sensoren, Regelung und Steuerung Sensorik Dimensionierung der Sensoren und Positionierung Wahl der Handoberfläche (z.b. Silikon zum besseren Greifen) 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 9

10 Inhalt Bedeutung der menschlichen Hand Roboterhände allgemein Antrieb von Roboterhänden Problematik der Konstruktion Drei ausführliche Beispiele Welche gibt es noch? Vor- und Nachteile von Roboterhänden (Diskussion) Quellen 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 10

11 Barrett-Hand Hersteller: Barrett Technology Inc. Cambridge USA Voll elektrisch Unabhängig Human-scaled Gewicht: 1,18 kg 3 konfigurierbare Finger 2 Finger um 180 spreizbar 2 Gelenke pro Finger Bewegungsspielraum: 140 Fingerbasisgelenk, 45 Fingerspitze Belastbarkeit pro Finger: 2 kg Bewegungsschritte (Dauer: 1 Sek.) 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 11

12 Barrett-Hand Spezieller Greifmechanismus verteilt die Kraft auf Objekt Fähigkeit zu dynamischem Betrieb Objekt aufnehmen und woanders ablegen Möglichkeit in C einzubinden Anschluss am PC über Serial-Port Supervisory-Mode (high-level commands) RealTime Mode (real-time motion control) Hand Title Shot.mov Like Human Hand.mov 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 12

13 DLR II-Hand Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Ziel: Miniaturisierung und komplette Integration der Systemkomponenten, Reduzierung der Verkabelung nur 12 Kabel zur Außenwelt (serial communication interface) schon DLR I-Hand bestand aus 1000 mechanischen und 1500 elektrischen Komponenten Unabhängig Human-scaled Gewicht: 1,8 kg Aluminium Skelettstruktur 13 Freiheitsgrade 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 13

14 DLR II-Hand 4 identische Finger 3 Freiheitsgrade pro Finger 4 Gelenke pro Finger Bewegungsspielraum: Proximal: -55 bis 75 Medial, distal: -20 bis 105 Gliedlänge: 40-75mm Kraft pro Finger 30N Geschwindigkeit: 360 /sek. Zusätzlicher Freiheitsgrad durch Handfläche Positionsänderung 4. Finger (Daumen) feine Manipulation! 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 14

15 DLR II-Hand Aufwendige Sensorik sensibles Feedback bezüglich Kraft und Position Sensoren der einzelnen Finger: 3 Gelenkpositionssensoren 3 Gelenkdrehmomentssensoren 3 Motorpositions- und Geschwindigkeitssensoren 1 Fingerspitzen Kraft- und Drehmomentssensor 3 Motortemperatursensoren 3 Sensoren für Temperaturkompensation 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 15

16 Shadow-Hand Hersteller: Shadow Robot Company Ldt. London UK Seit Ende 2004 auf dem Markt Ziel: menschliche Hand reproduzieren vergleichbare Bewegungssensibilität und Kraft Unabhängig Pneumatisch (mit Druckluft) Inkl. Unterarm (Muskeln) Human-scaled Finger: 98mm, Daumen 105mm Handfläche 90x85x24mm Gewicht: insgesamt 3,5 kg 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 16

17 Shadow-Hand 5 Finger (Form der menschlichen Hand nachempfunden) Menschliche Hand Vorbild für Kopplung der Gelenke 4 Finger mit 3 Freiheitsgraden und 4 Gelenken Daumen mit 5 Freiheitsgraden und 5 Gelenken Kann bis zu 5 kg halten Halb so schnell wie menschliche Hand Polycarbonat Fingernägel Insgesamt 186 Kraftsensoren 34 pro Finger (7/cm 2 ) 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 17

18 Shadow-Hand Steuerung durch 36 air muscles Druckluft bei 3,5 bar Sehnen verbinden air muscles mit Gelenken Controller Area Network (CAN) bus interface Elektronische Steuerung des pneumatischen Systems und Verarbeitung des Signals der Sensoren Vorteil: sichere Anwendung in direktem Umgang mit Menschen Herausforderung: Bewegungssteuerung Muskelzusammenspiel für komplexe Bewegung Problem: Zusammenhang zwischen Druck, Kontraktion und Kraft ist nicht linear! grab_a_plane.mpeg HandCVid.avi 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 18

19 Shadow-Hand coupled distal / middle joint proximal joint 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 19

20 Welche gibt es noch? Southhampton-Hand 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 20

21 Welche gibt es noch? Robonaut Besondere Anforderungen Motoren im Unterarm Insgesamt 14 Freiheitsgrade (inkl. Handgelenk) Aufteilung in Greifteil und Manipulationsteil 2 Finger u. Daumen mit 3 Freiheitsgraden 2 Finger mit 2 Freiheitsgraden Handfläche hat einen Freiheitsgrad hand2.avi 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 21

22 Welche gibt es noch? Utah/MIT Hand Ähnliche Anordnung wie bei Robonaut Daumen hat anderes Basisgelenk 3 Finger und gegenüberliegender Daumen Pro Finger 4 Gelenke (Basisgelenk + 3) dexhand_nut.avi utmit_hand.avi dexfinger_l.mov 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 22

23 Inhalt Bedeutung der menschlichen Hand Roboterhände allgemein Antrieb von Roboterhänden Problematik der Konstruktion Drei ausführliche Beispiele Welche gibt es noch? Vor- und Nachteile von Roboterhänden (Diskussion!) Quellen 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 23

24 Vorteile von Roboterhänden Kein Zittern Präzise kleine Bewegungen menschliche Hand eigentlich besser, wir können sie aber nicht entsprechend steuern! Keine Ermüdung Geringere Verletzungsanfälligkeit Bei entsprechender Konstruktion keine Wärme- bzw. Oberflächenempfindlichkeit Arbeitsmöglichkeit in für Menschen ungeeigneten Arbeitsumgebungen 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 24

25 Nachteile von Roboterhänden Kann die menschliche Hand nicht ersetzen kein Tastsinn Funktionsfähigkeit der menschlichen Hand noch nicht erreicht Sensoren noch nicht weit genug entwickelt Abhängigkeit von Technik 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 25

26 Quellen Ein Beitrag zur Integration von Sensoren in eine anthropomorphe künstliche Hand mit flexiblen Fluidaktoren (von Jan Christoph Martin) 13. Juni 2005 Roboterhände - Andreas Vogel 26