Roboter kontrolliert gefüllte Wassergläser besser als ein Mensch

Wissenschaftler des Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) der Technischen Universität München (TUM) haben einem Roboter beigebracht, vollgefüllte Gefäße mit Getränken so zu servieren, dass sie nicht überschwappen. Die Forschenden griffen dabei auf die Prinzipien eines sphärischen Pendels zurück, wie sie in marokkanischen Tee-Tabletts zur praktischen Anwendung kommen.

Schon für einen Menschen kann es schwierig sein, ein gefülltes Wasserglas so von der Küche ins Wohnzimmer zu transportieren, dass kein Wasser überschwappt und verloren geht. Kellner sind geübter, aber auch ihnen kann mal ein Malheur passieren und etwas danebengehen. Die Wissenschaftler der TUM haben mit ihrer in Arxiv veröffentlichten Studie "A Solution to Slosh-free Robot Trajectory Optimization" aber noch eine andere Anwendung im Blick: die der häuslichen Pflege älterer Menschen durch Roboter. Sollen Roboter ihnen etwa heiße Getränke servieren, so dürfen sie den Tee oder Kaffee nicht versehentlich auf den Menschen schütten und ihn so möglicherweise verbrühen. Auch die Maschine selbst soll vor verschütteten Flüssigkeiten geschützt werden, um keinen Schaden zu nehmen.

Prinzip eines sphärischen Pendels

Der Ansatz der Forschungsarbeit geht auf ein marokkanisches Tee-Tablett zurück, das wie ein sphärisches Pendel funktioniert. Mit ihm können Getränke so serviert werden, dass auf das Gefäß wirkende Bewegungskräfte bis zu einem gewissen Grad in alle Richtungen aufgefangen werden, sodass aus Gefäßen mit Getränken, die darauf stehen, nichts heraus schwappt. Die Wissenschaftler übertrugen die mathematische Gleichung, die die Bewegung dieses Pendels beschreibt, in ein mathematisches Modell, das sie in das Steuerungsprogramm eines Roboterarms von Franka Emika übertrugen. Dabei berücksichtigten die Forscher Winkel, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und die systemischen Eigenheiten des Roboterarms.

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Der Roboter war danach in der Lage, die auf das Tablett wirkenden Kräfte so abzufangen, dass keine seitlichen Kräfte mehr auf das Gefäß und die darin befindliche Flüssigkeit wirken. Die Flüssigkeit bleibt damit im Gefäß und es wird nichts verschüttet. Das gelingt besser, als ein Mensch es könnte.

Luis Figueredo, Doktor und Senior Scientist am MIRMI sieht damit einen deutlichen Fortschritt in der "Spill-not"-Wissenschaft: "Die meisten bisherigen Ansätze haben vor allem darauf gesetzt, die Beschleunigung zu begrenzen, um das Überschwappen in den Griff zu bekommen. Oder sie haben sich mit der Dynamik von Flüssigkeiten befasst, um zu berechnen, wie sich diese Substanzen verhalten und Trajektorien vorherzusagen." Das dauere jedoch "mindestens ein paar Minuten, wenn nicht Stunden". Zudem sei der Ausgang dieser Vorhersagen ungewiss.

Die Forschungsergebnisse von Figueredo und seinen beiden Mitstreitern, dem Doktoranden Riddhiman Laha und dem Master-Student Rafael I. Cabral Muchacho, könnten jedoch nicht nur in Robotern für pflegebedürftige Menschen einfließen. Sie sehen außerdem industrielle Anwendungsszenarien, etwa in Robotern, die mit biologischen und chemischen Gefahrstoffen umgehen.

Die Roboter müssen dann jedoch ihre Umgebung besser wahrnehmen und Vorhersagen über das Handeln von Menschen treffen können, um etwa Kollisionen zu verhindern, sagt Figueredo. Bisher habe der verwendete Roboter taktile Sensoren an Bord, die auf Berührung reagieren und eine Sicherheitsreaktion auslösen. Dann zieht sich der Roboterarm zurück und versucht dabei, ein Verschütten der Flüssigkeit zu vermeiden.

(olb)