Softrobotik

Das Wachstum der Robotik wird hauptsächliche durch die Erschließung neuer Anwendungsbereiche vorangetrieben. Roboter sollen zunehmend mit Menschen sowie empfindlichen Objekten interagieren oder navigieren durch wandelbare, unstrukturierte Umgebungen. Herkömmliche Roboter bestehen meist aus steifen Materialien, sind auf hohe Kräfte und Präzision sowie repetitive Aufgaben ausgelegt. Sie können daher ein erhebliches Gefahrenpotenzial für ihre Umgebung darstellen.

Softroboter bieten hierfür einen vielversprechenden Ansatz. Durch ihre nachgiebigen Materialien ermöglichen sie große elastische Verformungen, begrenzen Kontaktkräfte und passen sich passiv an unterschiedliche Formen und Oberflächen an. Dadurch eignen sie sich besonders für Anwendungen in der Mensch-Maschine-Interaktion, im medizinischen Bereich sowie für das Greifen empfindlicher oder geometrisch variierender Objekte, wie etwa bei der Obsternte.

Die weiche Struktur bringt jedoch neue Herausforderungen für Aktuierung, Sensorik, Modellierung und Regelung mit sich. Starre Komponenten und konventionelle Modellierungsansätze sind nur eingeschränkt übertragbar. Ziel unserer Forschung ist es daher, die Propriozeption, Steuerung und Genauigkeit weicher Roboter durch integrierte Sensorik sowie moderne dynamische Modellierungs- und Regelungsmethoden zu verbessern.

Für die Simulation sowie die modellbasierte Steuerung und Regelung von Softrobotern sind geeignete Modelle von zentraler Bedeutung. Dabei müssen Modellgenauigkeit, Generalität und Rechenaufwand gegeneinander abgewogen werden. Balkenmodelle, wie die Annahme stückweise konstanter Krümmung oder die geometrisch exakte Balkentheorie, bilden dabei eine vielversprechende Grundlage:

Herkömmliche Aktoren können nur eingeschränkt in Softroboter integriert werden, da diese starren Komponenten der weichen Struktur entgegenwirken. Aus diesem Grund werden in der Softrobotik alternative Aktuierungskonzepte entwickelt und angewandt. Typische Beispiele sind sehnenbasierte Aktuierung, das Verwenden von Formgedächtnislegierungen (FGL), sowie fluidbasierte Aktuierung:

Sensorfeedback ist für die präzise Trajektorienverfolgung, zuverlässige Positionierung und anspruchsvolle Greifanwendungen von Softrobotern unerlässlich. Neben einer geeigneten Ansteuerung ist insbesondere die Kenntnis der aktuellen Position und Orientierung des Roboters erforderlich. Dazu werden Formsensoren zur Erfassung der Roboterkrümmung sowie Kraftsensoren zur Regelung der Griffkraft benötigt. Herkömmliche Sensoren sind hierfür nur eingeschränkt geeignet, da sie meist weder für große elastische Verformungen ausgelegt sind, noch diese zuverlässig mitvollziehen können. Zudem sind sie häufig zu starr, wodurch sie die Nachgiebigkeit und Beweglichkeit der weichen Roboter beeinträchtigen.

Ein untersuchtes Sensorkonzept zur Erfassung der Segmentbiegung ist ein resistiver Krümmungssensor basierend auf elektrisch leitfähigem Schaumstoff. Durch die Biegung eines damit ausgestatteten Softrobotersegments ändert sich der elektrische Widerstand des Schaumstoffs. Die gemessenen Widerstandswerte können anschließend mithilfe neuronaler Netze ausgewertet werden, um auf den Biegewinkel des Segments zu schließen.

Weitere Konzepte beinhalten unter anderem kapazitive Kraft- und Momentensensoren, resistive Kraftsensoren sowie faseroptische Krümmungssensoren.