Mensch und Roboter arbeiten eng und interaktiv zusammen – diese Vision soll in Bälde Wirklichkeit werden. Konventionelle Robotersysteme müssen hierfür mit Sicherheitssystemen ausgerüstet sein. Weiche, einfach handhabbare und flexible Robotersysteme hingegen machen diese Zusammenarbeit im Sinne einer intrinsischen Sicherheit möglich.

Vor diesem Hintergrund wurde vor drei Jahren das Projekt ‚Myorobotics‘ gestartet. Das konkrete Ziel dahinter: Ein vollständiges und leicht bedienbares Baukastenset zu entwickeln, mit dem auch Anwender, die nur wenig Fachwissen in der Robotik haben, entsprechende Systeme erstellen können. Neben dem Fraunhofer IPA waren am Projekt die TU München, die Schweizer Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) sowie das Bristol Robotics Laboratory beteiligt. Bereits der Name ‚Myorobotics‘ verweist auf die beiden wichtigsten Ideen des Forschungsvorhabens: Einerseits ist die Vorsilbe ‚myo‘ das griechische Wort für Muskel und benennt das biologische Vorbild für die Robotersysteme. Andererseits ist ‚myo‘ die Abkürzung für ‚make your own‘ und benennt das zweite Projektziel – und zwar, dass Interessierte sich mit dem Baukasten ihren eigenen Roboter bauen können.

Die Grundlage hierfür bilden die im Rahmen des Projektes von Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) entwickelten Hardware-Module. Hält man eines der damit bereits aufgebauten Robotersysteme in den Händen, sind seine Besonderheiten offensichtlich: Es ist leicht, beweglich und erinnert in Größe und Aufbau an seine biologischen Vorbilder, sprich Gliedmaße wie Arme und Beine. Die ‚Design Primitives‘ genannten Module bestehen aus karbonverstärkten Strukturen, die den Knochen nachempfunden sind. Aktoren mit elastischen Elementen ­bilden die Muskeln nach, Zugseile die Sehnen. Die 3D-gedruckten Ge­lenke mit Kugellagern und integrierten ­Sensoren machen die Systeme be­weglich. An den Knochen sind Gang­lions befestigt, sprich leistungsstarke vernetzte Prozessoren, die ähnlich dem menschlichen Nervensystem den Roboter­systemen reflexartige Reaktionen auf veränderte Umgebungsbedingungen ermöglichen.

Eine Besonderheit des frei verfügbaren Baukastensets: Interessierte müssen nur die Materialkosten tragen, alles andere steht ‚open source‘ auf den Internetseiten des Projekts bereit. Hierzu zählen beispielsweise Bauanleitungen, CAD-Daten der Hardware-Komponenten oder Druckdateien, denn viele Teile der Robotersysteme sind generativ im 3D-Druck herstellbar. Auch die Software-Entwicklungsumgebung ‚Myode‘, die die Münchner Projektpartner entwickelt haben, ist frei verfügbar. Sie unterstützt die Anwender, wenn sie ein Robotersystem konzipieren, bauen oder virtuell testen wollen.

Bei der Komponenten- und Materialauswahl war wichtig, dass die Robotersysteme einfach zusammenzubauen und kostengünstig sind. Außerdem haben die Wissenschaftler für den Aufbau der Systeme standardisierte Module mit einheitlichen Schnittstellen verwendet. Dadurch sind sie schnell konfigurierbar und lassen sich gleichzeitig nach individuellem Bedarf zusammenstellen. Nur so sind die Module für einen breiten Anwenderkreis auch über die Robotik hinaus interessant.

Nachgiebig oder steif – je nach Belieben

Mit dem Myorobotics-System können unter anderem neue Aktortechnologien wie die variable Nachgiebigkeit und Steifigkeit erforscht werden. Das heißt: Mit Hilfe der antagonistisch angeordneten Aktoren ist eine vorspannungsgesteuerte, also veränderbare Nachgiebigkeit möglich, mit der die Steifigkeit des Systems einstellbar ist.

Die am Fraun­hofer IPA ent­wickelten Grundkom­ponenten (Design Primitives) für die nachgiebigen Robotersysteme.

© Fraunhofer IPA

Ein Vergleich mit der menschlichen Muskulatur veranschaulicht diese besondere Technologie: Wenn ein Mensch läuft, können seine vorgespannten Beinmuskeln die Bewegungsenergie wie Federn speichern und wieder abgeben. Die Muskeln im Arm hingegen sind entspannt und die Arme schwingen durch ihr Eigengewicht beim Laufen mit. Für schnelle und dynamische Bewegungen der Robotersysteme können somit steifere und präzisere Systemeigenschaften erzeugt werden, bei der Interaktion mit Menschen hingegen weiche und nachgiebige Systemeigenschaften. Neue weiterführende Konzepte für nachgiebige Aktoren, die bereits selbst die Steifigkeit variieren können, werden derzeit mit Hilfe des Baukastensets entwickelt.

Im Vergleich zu konventionellen Systemen bewegen sich die biomimetischen Leichtbauroboter dank ihrer variablen Nachgiebigkeit in den Antrieben natürlicher und nachvollziehbarer für den Menschen und können sich schnell an neue Umgebungen anpassen. In der direkten Zusammenarbeit können Menschen die Systeme intuitiv führen und korrigieren. Eventuelle Stöße fallen glimpflich aus, weil die Systeme intrinsische Sicherheit bieten: Sie geben nach und können Kollisionen abfedern.

Die möglichen Anwendungen

Zunächst adressierten die Wissenschaftler mit dem Baukasten potenzielle Anwender aus der industriellen Entwicklung sowie aus Forschung und Lehre in der Robotik und anderen Wissenschaften. So können beispielsweise Neurowissenschaftler mit den Systemen menschliche Reflexe nachstellen und simulieren. Biomechanikern ist es möglich, Experimente zum funktionalen Nachempfinden von Bewegungsabläufen durchzuführen. Ein weiteres Anwendungsfeld bietet sich in der privaten und gewerblichen Servicerobotik, also überall dort, wo sich Maschinen und Menschen das Arbeitsumfeld teilen. Eine Idee ist deshalb, ein entsprechendes Robotersystem als Assistenten beziehungsweise ‚helfenden Arm‘ im Haushalt oder auch bei der Altenpflege einzusetzen.

Modell eines auf Basis des Baukastens ­auf­gebauten Robotersystems für den Einsatz zum Beispiel im Haushalt.

© Fraunhofer IPA

Daneben haben die Stuttgarter ­Wissenschaftler auch industrielle beziehungsweise industrietaugliche Robotikanwendungen im Fokus. Ein mögliches Produkt wäre ein Produk­tionsassistent für kleine und mittelständische Unternehmen, der wie ein multifunktionaler Arm agiert. Mit seinen für die nachgiebige Ro­botik typischen Eigenschaften wie Weichheit und ­Flexibilität wäre der Produktionsassistent beispielsweise für die enge Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine geeignet. Über die Teach-In-Funktionalität, sprich das Einlernen des Roboters durch einmaliges Vormachen, ist der Assistent intuitiv bedienbar. Ein Sicherheitszaun wäre dann nicht mehr erforderlich. Der Assistent ar­beitet außerdem sehr präzise, weil die Steifigkeit seiner ‚Muskeln‘ anpassbar ist und die Aktorkräfte genau gemessen werden.
Mögliche Beispiel-Szenarien für den Produktionsassistenten sind das Be­stücken und Entladen von Werkzeugmaschinen, also Pick-and-Place-Funktionen, sowie die Kompensation des Gewichts von Werkzeugen. Gegenüber konventionellen Systemen sind die nachgiebigen Roboter neben der genannten Sicherheit unter meh­reren ­Aspekten vorteilhafter. Die ak­tive Nachgiebigkeit des Assistenten hilft, Ungenauigkeiten in der Produk­tion auszugleichen und die Kontaktkräfte anzupassen. Oberflächen können als Führungshilfe verwendet und mechanische Zentrierungen ‚ertastet‘ werden. Selbst eine ­Zusammenarbeit von mehreren ­Armen wäre mit ­geringem Steuerungsaufwand möglich. Und weil die Hardware günstig und leicht austauschbar ist, sind auch Reparaturen oder Systemanpassungen an neue Aufgaben schnell und einfach umsetzbar.

Nicht zuletzt eignen sich Tech­nologien aus der nachgiebigen Robotik ideal für Exoskelette, also Stützen und Kraftunterstützung für den Körper oder Körperteile. So könnten die im Myorobotics-Projekt entstandenen Aktoren dazu dienen, die benötigten Kräfte für bestimmte Vorgänge zu ­ermitteln. Die integrierten Sensoren messen dabei die jeweilige Belastung. Außerdem eignen sich die weichen Aktoren sehr gut für die körpernahe ­Interaktion, weil sie flüssige Be­wegungen ermöglichen und Bewegungen sowie Kräfte des Arbeiters aktiv unterstützen. Körperlich anspruchs­volle Tätigkeiten sind dadurch weniger erschöpfend für den Arbeiter, ­so dass er diese länger effizient aus­führen kann.

Im ersten Schritt sollen dabei die ­Robotersysteme nicht für Ganzkörper-Skelette eingesetzt werden, sondern ­bestimmte Arbeitsabläufe lokal unterstützen – also beispielsweise den Rücken oder die Arme. Außerdem können die elastischen Elemente in den Aktoren Energie speichern. So ist es möglich, Kräfte an einem Ort zu erzeugen und an einem anderen einzusetzen. Damit könnte der Aktor für Ellenbogen zum Beispiel am Rücken befestig sein. Halb-passive Elemente wie Bremsen und Kupplungen machen schließlich ein energieeffizientes Agieren der Exoskelette möglich.

Mit dem Baukasten für nachgiebige Robotersysteme wollen die IPA-Wissenschaftler zunächst technikaffine Nutzer zum Experimentieren und Testen der Komponenten animieren und stehen dabei von der ersten Idee bis zur konkreten Umsetzung – sofern gewünscht – als Entwicklungspartner zur Verfügung. In einem weiteren Schritt sollen die entwickelten Tech­nologien alsbald in konkrete industrielle Anwendungen überführt werden. Basierend auf den Rückmeldungen aus der Entwickler-Community möchten die IPA-Wissenschaftler den ­Baukasten zudem weiter verbessern und noch genauer auf die Anwendungsfälle abstimmen.

Autoren: Dr. Christophe Maufroy ist Projektleiter am Fraunhofer IPA und Maik Siee ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IPA.