Sanfte Kraft für Roboter

Ein weicher Aktuator aus elektrisch steuerbaren Membranen weist einen Weg hin zu Maschinen, die für Menschen ungefährlich sind

26. April 2016

Im Umgang mit Menschen muss ein Roboter vor allem eines sein: sicher. Wenn er etwa als Haushaltshilfe auf einen Menschen trifft, darf er seine Bewegungen nicht stur ausführen, sondern muss im Zweifelsfall nachgeben. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart stellen nun ein Bewegungssystem vor, einen sogenannten elastischen Aktuator, der nachgiebig ist und sich platzsparend in einem Roboter integrieren ließe. Der Aktuator arbeitet mit sehr elastischen Membranen, die luftgefüllte Kammern umschließen. Das Volumen der Kammern lässt sich dabei über ein elektrisches Feld an der Membran verändern. Bislang benötigen elastische Aktuatoren, die durch die Ausdehnung luftgefüllter Kammern eine Kraft ausüben, eine Verbindung zu Pumpen und Kompressoren, die dem Roboter entweder als sperrige Last aufgeladen oder über Schläuche mit ihm verbunden werden. Mit einem weichen Bewegungsapparat, wie ihn die Stuttgarter Forscher nun entwickelt haben, wäre das nicht mehr nötig.

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Elastische Kraftmaschine: Luftgefüllte mit Membranen verschlossene Kammern können als Aktuatoren dienen, die Menschen den gefahrlosen Kontakt mit Robotern ermöglichen. Die Membranen sind auf beiden Seiten mit dehnbaren Elektroden beschichtet, die unter Spannung gesetzt eine Ausdehnung der Membran bewirken. Zudem sind sie bistabil. Das heißt, sie können bei einem Luftdruck ein kleineres und ein größeres Volumen umschließen. Eine Membran lässt sich vom kompakteren in den ausgedehnteren Zustand schalten, indem eine Spannung an ihre Elektroden angelegt wird. So lässt sich auch unter drei oder mehr miteinander verbundenen blasenförmigen Kammern eine gezielt ansteuern, um sie aufzupumpen und mit ihr so eine Kraft auszuüben.
Elastische Kraftmaschine: Luftgefüllte mit Membranen verschlossene Kammern können als Aktuatoren dienen, die Menschen den gefahrlosen Kontakt mit Robotern ermöglichen. Die Membranen sind auf beiden Seiten mit dehnbaren Elektroden beschichtet, die unter Spannung gesetzt eine Ausdehnung der Membran bewirken. Zudem sind sie bistabil. Das heißt, sie können bei einem Luftdruck ein kleineres und ein größeres Volumen umschließen. Eine Membran lässt sich vom kompakteren in den ausgedehnteren Zustand schalten, indem eine Spannung an ihre Elektroden angelegt wird. So lässt sich auch unter drei oder mehr miteinander verbundenen blasenförmigen Kammern eine gezielt ansteuern, um sie aufzupumpen und mit ihr so eine Kraft auszuüben.

Viele Roboter haben sich inzwischen unentbehrlich gemacht, und in ihren Arbeitsbereichen wird es auch akzeptiert, dass sie Menschen gefährlich werden können. Sie montieren etwa in der Automobilindustrie schnell und zuverlässig Fahrzeuge, werden vor dem direkten Kontakt mit Personen allerdings gut abgeschirmt. Denn sie ziehen ihre Bewegungen präzise und unnachgiebig durch, so dass sie Menschen schlimm verletzen könnten. Roboter mit weichen Aktuatoren, die Kontaktpersonen nicht schaden können, liegen dagegen an der Leine von Druckluftschläuchen und können sich daher nur in einem eingeschränkten Radius bewegen. Das könnte sich demnächst ändern. „Wir haben einen Aktuator entwickelt, der große Änderungen der Form ohne eine Druckluftzufuhr von außen ermöglicht“, sagt Metin Sitti, Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.

Die Vorrichtung besteht aus einem dielektrischen Elastomer-Aktuator (DEA): einer Membran, die wie ein Luftballon hyperelastisch ist und von beiden Seiten mit dehnbaren Elektroden beschichtet ist. Über ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden lässt sich die Ausdehnung der Membran regulieren, da sich die Elektroden gegenseitig anziehen und die Membran zusammendrücken, wenn sie unter eine elektrische Spannung gesetzt werden. Eine einzelne steuerbare Membran eignet sich allerdings noch nicht als Aktuator. Nur wenn mehrere luftgefüllte Kammern, die durch Membranen umschlossen werden, miteinander verbunden sind, lässt sich jeweils eine von ihnen kontrolliert verformen.

Luft wird zwischen zwei Kammern verschoben

Dabei hilft den Stuttgarter Forschern, dass ihr Membranmaterial zwei stabile Zustände kennt. Das heißt, es kann bei einem Druck zwei verschiedene Volumina einschließen, ohne den Drang, das größere Volumen zu minimieren. Das ist in etwa so, als würde man aus einem aufgeblasenen Luftballon die Luft entweichen lassen, wobei dieser aber nicht auf die ursprüngliche Größe schrumpfte, sondern deutlich größer bliebe. Dank des bistabilen Zustandes des Kunststoffs können die Stuttgarter Forscher die Luft zwischen einer stärker und einer schwächer aufgeblähten Kammer gewissermaßen hin und her schieben. Zu diesem Zweck legen sie jeweils an die Membran der weniger voluminösen Kammer eine elektrische Spannung an. Die Kammer dehnt sich dann aus und saugt die Luft aus der anderen Blase. Schalten die Wissenschaftler die Spannung ab, zieht sich die Membran zwar wieder zusammen, aber nicht auf das ursprüngliche Volumen, sondern ein größeres, das ihrem ausgedehnteren Zustand entspricht.

„Wichtig ist es, geeignete hyperelastische Polymere zu finden, die in dem Aktuator eine starke und schnelle Verformung ermöglichen und lange haltbar sind“, sagt Metin Sitti. Daher testeten die Wissenschaftler verschiedene Membranmaterialien und wendeten theoretische Modelle an, um das Verhalten eines Elastomers im Aktor systematisch zu erfassen.

Die Elastomere, die Metin Sittis Team bislang untersucht hat, bringen jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile mit sich: So verformen sich manche stark, aber nur langsam. Bei anderen ist es genau umgekehrt. „Um verschiedene Eigenschaften in einer Membran zu  vereinen, werden wir unterschiedliche Materialien kombinieren“, so Sitti. Das ist aber nur einer der nächsten Schritte, die er und sein Team planen. Darüber hinaus werden sie ihren Aktuator in einen Roboter integrieren, damit dieser etwa seine Beine hebt, aber nachgibt, wenn er dabei zufällig auf einen Menschen trifft. Erst dann können die Maschinenwesen auch gefahrlos mit Personen umgehen.

PH

Die Forschung von Metin Sitti wird durch die Max-Planck-Förderstiftung unterstützt.

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