RobOstrich: Straußenartiger Roboterarm ist hochflexibel

Einen Roboterarm in Form eines Straußenhalses haben Forscher der Graduate School of Information Science and Technology der Universität Tokyo entwickelt. Der künstliche Arm lässt sich stark verdrehen, um auch an schwer zugängliche Stellen zu kommen. Der RobOstrich genannte Manipulator setzt darauf, benachbarte Gelenke nacheinander zu bewegen und so ein rollendes Bewegungsmuster zu erzeugen.

Hälse von Vögeln sind hochflexibel, damit sie sich besser putzen oder im Flug in verschiedenste Richtungen schauen können. Der Vogelstrauß hat einen besonders robusten und geschickten Hals. Die japanischen Wissenschaftler haben ihn sich daher für ihren Roboterarm zum Vorbild genommen, wie sie in dem wissenschaftlichen Paper "RobOstrich” Manipulator: A Novel Mechanical Design and Control Based on the Anatomy and Behavior of an Ostrich Neck" beschreiben, der in IEEE Robotics and Automation Letters veröffentlicht ist.

Roboterarme zu entwickeln, die möglichst viele Freiheitsgrade haben, ist eine Herausforderung. "Aus Sicht der Robotik ist es schwierig, eine solche Struktur zu steuern", erklärt Kazashi Nakano, Doktorand an der Graduate School of Information Science and Technology, "Wir haben uns auf den Straußenhals konzentriert, weil wir dort etwas Neues entdecken können."

Dazu sezierte das Forschungsteam zunächst einen Hals eines Straußes, um dessen Aufbau aus Sehnen, Muskeln und Knochen zu verstehen. Die Forscher wollten dabei genau wissen, wie es möglich ist, ein etwa drei Kilogramm schweres Körperteil derart flexibel zu bewegen. Der Straußenhals besitzt inklusive Schaft und Atlas 17 Wirbel – mehr als doppelt so viele wie der Mensch mit seinen sieben Halswirbeln. Die Wirbel beim Strauß lassen sich in zwei Richtungen verdrehen, was zu extrem hohen Freiheitsgraden führt.

Schwer kontrollierbar

Die Wissenschaftler machten sich nach ihren Beobachtungen daran, den RobOstrich-Arm nach diesem Vorbild aufzubauen. Dazu druckten sie im 3D-Druckverfahren 17 Wirbel aus, die sie mit Lagern verbanden. Als Ersatz für die Muskeln zwischen den Straußenwirbeln verwendeten sie Klaviersaiten. Gummibänder setzten sie an der Basis des Manipulators ein, um so eine Spannung erzeugen zu können. Ein Elektromotor dient dazu, die Drähte aufzuwickeln und so genügend Spannung zu erzeugen, um die Muskeln des Roboterarms zu beugen.

Zusammen mit einem einfachen Greifer gelingt es RobOstrich, verschiedene Greifaufgaben durchzuführen. Ähnlich wie bei einem echten Straußenhals wird dabei ein rollendes Bewegungsmuster erzeugt. Benachbarte Gelenke bewegen sich nacheinander, während der Kopf auf gleicher Höhe zum Boden bleibt. Dieses Bewegungsmuster wird dadurch erzielt, dass lediglich die Drähte an der Unterseite des künstlichen Halses gespannt werden, während die Länge der Drähte auf der Rückseite gleich bleibt, also nicht gezogen werden muss. Der RobOstrich-Manipulator kann so mit minimalem Aufwand komplexe Aktionen durchführen.

Diese sehr flexible Struktur sei schwer zu kontrollieren, räumt Nakano ein. Allerdings stehe durch die geschickte Anordnung von Muskeln und Gelenken dem eine Vielzahl geschickter Greifbewegungen gegenüber.

Derzeit klappt das allerdings noch etwas ungelenk und lediglich in einer zweidimensionalen Ebene vorwärts. Die Forscher arbeiten nun daran, den Manipulator so umzugestalten, dass er in drei Dimensionen beweglich ist. Dazu wollen sie einen Controller entwickeln, der auch in unstrukturierten Umgebungen Greifbewegungen ermöglicht.

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(olb)