Softer pneumatischer Aktor

Softer pneumatischer Aktor mit Bewegungsfreiheiten in allen Raumrichtungen. Uni Hannover match/Jahn

Roboter aus weichen Materialien bieten eine hohe Flexibilität. Die Nachgiebigkeit des Materials führt zu einer erhöhten Anpassungsfähigkeit, die klassische Robotersysteme nicht bieten können. Entsprechend entwickelte Soft-Roboter können sich ihrer Umgebung anschmiegen, ohne dass es zu einer Beschädigung am Roboter, an der Umgebung oder den zu handhabenden Objekten kommt. Softe Roboter bieten somit Vorteile in der industriellen Mensch-Roboter-Kollaboration und der Greiftechnik.

Mit der erhöhten Flexibilität gehen auch neue Herausforderungen einher. Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms ‚Soft Material Robotic Systems‘ (SPP2100) forscht das Institut für Montagetechnik (Match) an der Modellierung weicher Roboter sowie der Regelung und Sensorik. Insgesamt zwölf Forschungsgruppen aus ganz Deutschland sind an diesem Schwerpunktprogramm beteiligt. Sie setzen in ihren Projekten unterschiedliche Schwerpunkte – vom Design weicher Aktorsysteme über die Modellierung weicher Komponenten bis hin zur Regelung und Sensorik für softe Robotersysteme. Das Match koordiniert das gesamte Projekt. Die entwickelten Methoden können anschließend für die Regelung eines soften Roboters oder für eine Charakterisierung des Systems verwendet werden. Die Design-Analysen können zukünftig auch für die modellbasierte Entwicklung softer Robotersysteme herangezogen werden.

Druckregelung und Sensorik für weiche Robotik

Anders als ihre Gegenstücke aus harten Materialien wie Stahl besitzen softe Roboter theoretisch unendlich viele Bewegungsfreiheiten. Weil nicht jede Freiheit individuell geregelt werden kann, handelt es sich bei soften Robotern um hochgradig unteraktuierte Systeme, wobei die Aktuierung auf unterschiedlichste Weise erfolgen kann – etwa mit Seilzugkinematiken, pneumatisch gesteuerten Aktoren und weichen dielektrischen Elastomeraktoren, um einige Beispiele zu nennen.

Konzept für einen umfassenden Methodenbaukasten für softe Roboter.

Konzept für einen umfassenden Methodenbaukasten für softe Roboter. Imes/IDS/match

Das Match erforscht softe pneumatische Aktoren: Weiche Elastomerkörper mit integrierten Hohlräumen werden dabei mit Druck beaufschlagt, wodurch sie sich verformen. Die Nichtlinearität der verwendeten Materialien und das damit einhergehende hochgradig nichtlineare Systemverhalten bergen einige Herausforderungen. Zu nennen sind dabei Hysterese, Hyperelastizität sowie Kriecheffekte des Materials. Hier forscht das Match an geeigneten Regelungsansätzen, um trotzdem eine robuste und optimierte Druckregelung gewährleisten zu können.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt am Match ist die Sensorik für weiche Roboter. Um die Roboter- beziehungsweise Aktorpose zu bestimmen sowie die Gesamtkörperdeformation zu erfassen, muss geeignete Sensorik in die Strukturen integriert werden. Ansätze sind hier beispielsweise Biegesensoren oder extrem dehnbare Dehnungsmesstreifen, die auf Flüssigmetalllegierungen basieren. Die Herausforderung dabei ist es, die Beweglichkeit des Aktors durch die Sensorintegration nicht einzuschränken, gleichzeitig aber möglichst viele Informationen aus den verwendeten Sensoren zu ziehen.

Modellierung und Design weicher Roboter

Ein weiterer großer Forschungsschwerpunkt am Match ist die Modellierung. Derzeit werden softe Robotersysteme entweder analytisch modelliert, wobei dies aufwendig für jedes individuell entwickelte Design geschieht, oder es kommen numerische Modellierungsmethoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Einsatz, die für zeitkritische Anwendungen wie eine modellbasierte Regelung allerdings meist zu rechenintensiv sind.

Eine Alternative entwickelt das Match im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms zusammen mit dem Institut für Dynamik und Schwingungen (IDS) und dem Institut für mechatronische Systeme (Imes). Gemeinsam arbeiten die Wissenschaftler an einer kohärenten Methodologie zur Modellierung und zum Entwurf weicher Roboter. Das gemeinsame Projekt zielt darauf ab, einen umfassenden Methodenbaukasten für softe Roboter zu entwickeln, der für verschiedenste Designs und in verschiedensten Anwendungsszenarien zum Einsatz kommen kann. Dies umfasst insbesondere die generische Erstellung von Modellen zur Beschreibung der Kinematik sowie des statischen und des dynamischen Verhaltens, auch unter der Berücksichtigung des Kontaktes mit der Umgebung. Alle Methoden werden in ein standardisiertes und einfach zu bedienendes Framework überführt.