Underactuated Hand

Auch genannt: underactuated gripper, adaptive gripper, self-adaptive hand, underactuated robotic hand
Kategorie: Mechanical structure › Arms & end-effectors
Schlagwörter: grippers, end-effectors, grasping, mechanism-design, tendon-driven, manipulation

Eine Roboterhand oder ein Greifer mit weniger Aktuatoren als Gelenken, die Sehnen, Koppelgetriebe oder Federn nutzt, sodass sich ihre Finger passiv um ein gegriffenes Objekt legen und sich seiner Form anpassen.

Definition

Unteraktuierte Hände (Underactuated Hands) sind Roboterhände und Greifer, die weniger Aktuatoren als Freiheitsgrade haben. Statt jedes Gelenk mit einem eigenen Motor anzutreiben, treibt ein einzelner Aktuator über eine mechanische Übertragung mehrere Gelenke an, etwa eine durch den Finger laufende Sehne, ein Koppelgetriebe oder ein Differential, während Federn oder nachgiebige Gelenke die Grundhaltung festlegen. Die übrigen Freiheitsgrade werden nicht direkt geregelt; sie werden durch den Kontakt zwischen den Fingern und dem Objekt bestimmt.

Der Vorteil ist adaptives, formangepasstes Greifen. Wenn sich ein Finger schließt, bewegt sich sein Grundglied, bis es das Objekt berührt; ist dieses Glied blockiert, treibt die Übertragung die äußeren Glieder weiter an, die sich um das Objekt krümmen. Die Hand umschließt so unregelmäßige Formen, ohne ein Modell des Objekts oder präzise Sensorik zu benötigen. Das macht unteraktuierte Hände einfacher, leichter, günstiger und robuster als voll aktuierte Hände mit ähnlicher Gelenkzahl.

Der Kompromiss ist geringere Geschicklichkeit. Da sich die Gelenke nicht unabhängig ansteuern lassen, sind unteraktuierte Hände gut in Kraft- und umschließenden Griffen, aber eingeschränkt bei der In-Hand-Manipulation, bei der die Finger ein Objekt kontrolliert umpositionieren müssen. Ihr Verhalten hängt außerdem von Reibung, Federsteifigkeit und Kontaktstellen ab, was präzise Fingerspitzengriffe weniger vorhersagbar machen kann.

Unteraktuierung ist in kommerziellen adaptiven Greifern und in Open-Source-Designs wie dem Projekt Yale OpenHand weit verbreitet, das 3D-druckbare, sehnengetriebene Hände veröffentlicht. Die Konstruktionsprinzipien werden im Buch Underactuated Robotic Hands von Birglen, Laliberté und Gosselin ausführlich behandelt.

Warum es wichtig ist

Objekte unbekannter oder unterschiedlicher Form zu greifen, ist eines der schwierigsten Probleme der Robotik, und unteraktuierte Hände lösen einen Großteil davon mechanisch statt durch Sensorik und Regelung. Sie ermöglichen zuverlässiges Greifen mit einem Motor und einfacher Ansteuerung, weshalb sie an mobilen Manipulatoren, in der Logistik und an kostengünstigen und Open-Source-Robotern verbreitet sind.

Wichtige Anwendungen

Adaptive Greifer für Logistik und Bin-Picking
Handprothesen
Open-Source- und kostengünstige Roboterhände
Greifen in unstrukturierten Umgebungen wie Haushalten und Bauernhöfen
Roboterhände für die Forschung zu lernbasierter Manipulation

In der Praxis

Ein Team, das eine Hand für einen Pick-and-Place- oder Haushaltsroboter auswählt, beginnt oft mit einem unteraktuierten Design, weil es nur einen oder zwei Motoren und einen einfachen Öffnen/Schließen-Befehl braucht. Bei Open-Source-Aufbauten werden die Finger häufig mit Sehnenkanälen und Festkörper- oder Stiftgelenken 3D-gedruckt, und ein einzelner Servo wickelt die Sehne auf. Ingenieure stellen die Feder- oder Festkörpersteifigkeit so ein, dass sich die Fingerglieder in der beabsichtigten Reihenfolge schließen, und testen Griffe an einer Auswahl repräsentativer Objekte, um zu prüfen, dass die Hand große Objekte umschließt und dennoch kleine greifen kann. Beim Lernen von Manipulations-Policies mit solchen Händen berücksichtigen sie, dass die tatsächlichen Fingergelenkwinkel von der befohlenen Aktuatorposition abweichen, und ergänzen manchmal Gelenk-Drehgeber, um sie zu messen.

Häufige Missverständnisse

Unteraktuiert bedeutet schwach oder leistungsschwach — der Begriff bedeutet weniger Aktuatoren als Gelenke, nicht geringe Greifkraft
Eine unteraktuierte Hand lässt sich nicht steuern — ihre Haltung wird durch den Aktuator und die Kontakte gemeinsam bestimmt, und bei den Griffen, für die sie konstruiert wurde, verhält sie sich vorhersagbar
Unteraktuierte Hände können alles, was eine voll aktuierte Hand kann — sie geben die unabhängige Fingersteuerung und damit viel In-Hand-Geschicklichkeit zugunsten von Einfachheit und Anpassungsfähigkeit auf

Wer das wissen sollte

Konstrukteure von Greifern und Endeffektoren
Forschende in Manipulation und Greifen
Prothetikingenieure
Maker, die kostengünstige Roboterhände bauen

Open Source Robotics