Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben een energiezuinige, betaalbare robotische hand ontworpen die objecten kan vastpakken zonder ze te laten vallen. De robotische hand is 3D-geprint en kan verschillende vormen, maten en texturen vastpakken en complexe bewegingen uitvoeren met alleen de beweging van de pols en het gevoel in zijn ‘huid’. De hand kan niet onafhankelijk de vingers bewegen, maar kan nog steeds een reeks complexe bewegingen uitvoeren.
Het probleem van het vastpakken van objecten van verschillende vormen, maten en texturen is eenvoudig voor een mens, maar uitdagend voor een robot. Het trainen van de robotische hand om verschillende objecten vast te pakken was mogelijk door gebruik te maken van sensoren die op de ‘huid’ van de hand waren geplaatst. De hand was in staat te voorspellen of hij een object zou laten vallen of niet.
Volgens de onderzoekers is hun aanpasbare ontwerp geschikt voor de ontwikkeling van betaalbare robots die natuurlijk kunnen bewegen en leren om een breed scala aan objecten vast te pakken. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems.
De natuurlijke beweging van het menselijk lichaam wordt bepaald door de interactie tussen de hersenen en het lichaam. Dit zorgt ervoor dat mensen en dieren op complexe manieren kunnen bewegen zonder onnodige hoeveelheden energie te verbruiken. Dankzij de vooruitgang in 3D-printtechnieken zijn de afgelopen jaren zachte componenten geïntegreerd in de robotica, waardoor onderzoekers complexiteit kunnen toevoegen aan eenvoudige, energiezuinige systemen.
Het nabootsen van de complexiteit en aanpasbaarheid van de menselijke hand in een robot is een enorme onderzoekuitdaging. De meeste geavanceerde robots van vandaag zijn niet in staat om manipulatietaken uit te voeren die kleine kinderen met gemak kunnen uitvoeren. Een volledig aangedreven robotische hand, met motoren voor elk gewricht in elke vinger, vereist bovendien aanzienlijk meer energie.
De onderzoekers van de Bio-Inspired Robotics Laboratory van professor Fumiya Iida in de afdeling Engineering van de Universiteit van Cambridge hebben oplossingen ontwikkeld voor beide problemen. Het doel was een robotische hand die verschillende objecten met de juiste hoeveelheid druk kan vastpakken en tegelijkertijd een minimale hoeveelheid energie verbruikt.
De robotische hand werd geïmplanteerd met tastzintuigen, zodat deze kon voelen wat hij aanraakte. De hand was alleen in staat om passieve, polsgebaseerde bewegingen uit te voeren. Na meer dan 1200 tests met de robotische hand, waarbij werd geobserveerd hoe de hand kleine voorwerpen vastpakte zonder deze te laten vallen, werd de hand getraind om verschillende objecten vast te pakken.
De robothand werd getraind om verschillende objecten vast te grijpen en te voorspellen of het die objecten zou laten vallen door gebruik te maken van de informatie die werd verstrekt door sensoren die op zijn ‘huid’ waren geplaatst.
De passieve beweging van deze robot maakt hem veel gemakkelijker te controleren en veel energiezuiniger dan robots met volledig gemotoriseerde vingers. De onderzoekers zeggen dat hun aanpasbare ontwerp gebruikt kan worden bij de ontwikkeling van goedkope robotica die in staat is tot meer natuurlijke beweging en het leren vastgrijpen van een breed scala aan objecten. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Intelligent Systems.
De menselijke hand is zeer complex, en het recreëren van al zijn behendigheid en aanpassingsvermogen in een robot is een enorme uitdaging voor onderzoekers. De meeste geavanceerde robots van vandaag de dag zijn niet in staat tot manipulatietaken die kleine kinderen met gemak kunnen uitvoeren. Mensen weten instinctief hoeveel kracht ze moeten gebruiken bij het oppakken van een ei, maar voor een robot is dit een uitdaging: te veel kracht en het ei kan breken; te weinig en de robot kan het laten vallen. Bovendien vereist een volledig geactueerde robot-hand, met motoren voor elk gewricht in elke vinger, een aanzienlijke hoeveelheid energie.
In het Bio-Inspired Robotics Laboratory van professor Fumiya Iida aan de afdeling Engineering van de Universiteit van Cambridge, zijn onderzoekers potentiële oplossingen aan het ontwikkelen voor beide problemen: een robot-hand die verschillende objecten kan vastgrijpen met de juiste hoeveelheid druk en met een minimale hoeveelheid energie.
“In eerdere experimenten heeft ons laboratorium aangetoond dat het mogelijk is om een significante bewegingsbereik in een robot-hand te krijgen door gewoon de pols te bewegen”, aldus mede-auteur Dr. Thomas George-Thuruthel, die nu werkzaam is aan het University College London (UCL) East. “We wilden zien of een robot-hand op basis van passieve beweging niet alleen objecten kon vastgrijpen, maar ook kon voorspellen of het de objecten zou laten vallen en zich daaraan kon aanpassen.”
De onderzoekers gebruikten een 3D-geprinte antropomorfe hand die was voorzien van tastzin-sensoren, zodat de hand kon voelen wat hij aanraakte. De hand was alleen in staat tot passieve, op polsbeweging gebaseerde beweging.
Het team voerde meer dan 1200 tests uit met de robot-hand en observeerde zijn vermogen om kleine objecten vast te grijpen zonder ze te laten vallen. De robot werd aanvankelijk getraind met kleine 3D-geprinte plastic ballen en pakte ze vast met behulp van een vooraf bepaalde actie die werd verkregen via menselijke demonstraties.
“Deze hand heeft een beetje veerkrachtigheid: hij kan dingen oppakken zonder enige actuatie van de vingers”, zei eerste auteur Dr. Kieran Gilday. “De tactiele sensoren geven de robot een gevoel van hoe goed de grip gaat, zodat hij weet wanneer hij begint te slippen. Dit helpt hem om te voorspellen wanneer dingen zullen falen.”
De robot gebruikte trial-and-error om te leren welke soort grip succesvol zou zijn. Na het afronden van de training met de ballen, probeerde het vervolgens verschillende objecten te grijpen, waaronder een perzik, een computermuis en een rol bubbeltjesplastic. In deze tests slaagde de hand erin om 11 van de 14 objecten succesvol te grijpen.
“De sensoren, die een soort huid van de robot zijn, meten de druk die op het object wordt uitgeoefend”, aldus George-Thuruthel. “We kunnen niet precies zeggen welke informatie de robot krijgt, maar hij kan theoretisch schatten waar het object is vastgegrepen en met hoeveel kracht.”
“De robot leert dat een combinatie van een bepaalde beweging en een bepaalde set sensorgegevens zal leiden tot falen, waardoor het een aanpasbare oplossing is”, zei Gilday. “De hand is heel eenvoudig, maar hij kan veel objecten oppakken met dezelfde strategie.”
“Het grote voordeel van dit ontwerp is de reeks bewegingen die we kunnen krijgen zonder enige actuatie”, zei Iida. “We willen de hand zo eenvoudig mogelijk maken. We kunnen veel goede informatie en een hoge mate van controle krijgen zonder enige actuatie, zodat wanneer we ze wel toevoegen, we complexer gedrag krijgen in een efficiëntere verpakking.”
Een volledig geactueerde robot-hand is, naast de hoeveelheid energie die hij vereist, ook een complex controleprobleem. Het passieve ontwerp van de door Cambridge ontworpen hand, met behulp van een klein aantal sensoren, is gemakkelijker te controleren, biedt een breed scala aan beweging en stroomlijnt het leerproces.
In de toekomst kan het systeem op verschillende manieren worden uitgebreid, zoals het toevoegen van computervisie-mogelijkheden of het leren van de robot om zijn omgeving te benutten, wat het in staat zou stellen een breder scala aan objecten te grijpen.
Het onderzoek van de universiteit van Cambridge naar deze aanpasbare en energie-efficiënte robot-hand biedt nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van robotica, die in staat zijn tot meer natuurlijke bewegingen en kunnen leren een breed scala aan objecten vast te grijpen. Het kan ook de weg vrijmaken voor de toepassing van dergelijke robots in sectoren waarin een delicate handeling van objecten vereist is, zoals de voedsel-, elektronica- en medische industrie.
Foto: University of Cambridge
