Harvard

May 04, 2023

Von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, 5. Dezember 2022

Nahaufnahme der Filamente des Greifers, die sich um ein Objekt wickeln. Bildnachweis: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

Sie wissen, wie schwierig es ist, Gegenstände mit Greifrobotern zu greifen und festzuhalten, wenn Sie schon einmal in einer Spielhalle das Klauenspiel gespielt haben. Stellen Sie sich vor, wie viel nervenaufreibender das Spiel wäre, wenn Sie statt weicher Stofftiere versuchen würden, ein empfindliches Stück gefährdeter Koralle oder einen kostbaren Schatz von einem gesunkenen Schiff zu ergattern.

Die meisten heutigen Robotergreifer nutzen eine Kombination aus den Fähigkeiten des Bedieners und eingebetteten Sensoren, komplizierten Rückkopplungsschleifen oder modernsten maschinellen Lernalgorithmen, um zerbrechliche oder unregelmäßig geformte Gegenstände zu greifen. Wissenschaftler der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Harvard haben jedoch gezeigt, dass es eine einfachere Methode gibt.

Inspiriert von der Natur entwickelten Wissenschaftler einen neuen Typ eines weichen Robotergreifers, der ein Netzwerk aus dünnen Tentakeln nutzt, um Objekte zu verwickeln und zu greifen, ähnlich wie Quallen ihre Beute sammeln. Einzelne Filamente oder Tentakel sind für sich genommen nicht sehr stark. Wenn sie jedoch als Gruppe verwendet werden, können die Filamente Gegenstände aller Formen und Größen fest greifen und festhalten. Der Greifer benötigt keine Sensorik, Planung oder Feedback-Steuerung; Es beruht auf einfachem Aufblasen, um Gegenstände einzuwickeln.

Die Studie wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Der weiche Greifer greift Sukkulenten. Bildnachweis: Harvard Microrobotics Lab/Harvard SEAS

„Mit dieser Forschung wollten wir uns neu vorstellen, wie wir mit Objekten interagieren“, sagte Kaitlyn Becker, ehemalige Doktorandin und Postdoktorandin am SEAS und Erstautorin der Arbeit. „Indem wir uns die natürliche Nachgiebigkeit der Soft-Robotik zunutze machten und sie durch eine nachgiebige Struktur erweiterten, haben wir einen Greifer entwickelt, der mehr ist als die Summe seiner Teile, und eine Greifstrategie, die sich mit minimaler Planung und Wahrnehmung an eine Reihe komplexer Objekte anpassen kann.“ ."

Becker ist derzeit Assistenzprofessor für Maschinenbau am MIT.

Die Stärke und Anpassungsfähigkeit des Greifers beruht auf seiner Fähigkeit, sich mit dem Objekt zu verfangen, das er zu greifen versucht. Die fußlangen Filamente sind hohle Gummischläuche. Eine Seite des Schlauchs besteht aus dickerem Gummi als die andere. Wenn der Schlauch unter Druck gesetzt wird, kräuselt er sich wie ein Zopf oder wie geglättetes Haar an einem regnerischen Tag.

Ein Video, das den Roboter demonstriert. Bildnachweis: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Die Locken verknoten und verwickeln sich miteinander und mit dem Objekt, wobei jede Verflechtung die Festigkeit des Halts erhöht. Während der kollektive Halt stark ist, ist jeder Kontakt einzeln schwach und beschädigt nicht einmal das zerbrechlichste Objekt. Um das Objekt freizugeben, werden die Filamente einfach drucklos gemacht.

Mithilfe von Simulationen und Experimenten testeten die Forscher die Wirksamkeit des Greifers, indem sie eine Reihe von Objekten aufhoben, darunter verschiedene Zimmerpflanzen und Spielzeuge. Der Greifer könnte in realen Anwendungen eingesetzt werden, um weiches Obst und Gemüse für die landwirtschaftliche Produktion und den Vertrieb, empfindliches Gewebe in medizinischen Einrichtungen und sogar unregelmäßig geformte Objekte in Lagerhäusern, wie z. B. Glaswaren, zu greifen.

Dieser neue Greifansatz kombiniert die Forschungen von Professor L. Mahadevan zur topologischen Mechanik verschlungener Filamente mit der Forschung von Professor Robert Wood zu weichen Robotergreifern.

„Die Verschränkung ermöglicht es jedem hochnachgiebigen Filament, sich lokal an ein Zielobjekt anzupassen, was zu einem sicheren, aber sanften topologischen Griff führt, der relativ unabhängig von den Details der Art des Kontakts ist“, sagte Mahadevan, Professor für Angewandte Mathematik in Lola England de Valpine SEAS und Organismische und Evolutionäre Biologie sowie Physik in FAS und Mitautor des Artikels.

„Dieser neue Ansatz zum robotergestützten Greifen ergänzt bestehende Lösungen, indem er einfache, traditionelle Greifer, die komplexe Steuerungsstrategien erfordern, durch äußerst nachgiebige und morphologisch komplexe Filamente ersetzt, die mit sehr einfacher Steuerung arbeiten können“, sagte Wood, Professor für Ingenieurwissenschaften bei Harry Lewis und Marlyn McGrath und Angewandte Wissenschaften und Co-korrespondierender Autor des Artikels. „Dieser Ansatz erweitert die Palette der Aufnahmemöglichkeiten mit Robotergreifern.“

Referenz: „Aktive Verschränkung ermöglicht stochastisches, topologisches Greifen“ von Kaitlyn Becker, Clark Teeple, Nicholas Charles, Yeonsu Jung, Daniel Baum, James C. Weaver, L. Mahadevan und Robert Wood, 10. Oktober 2022, Proceedings of the National Academy of Sciences .DOI: 10.1073/pnas.2209819119

Die Studie wurde vom Office of Naval Research, der National Science Foundation, der Simons Foundation und dem Henri Seydoux Fund finanziert.