Hintergrund | Alles was in der Robotik - und Technik überhaupt - "biologisch inspiriert" ist, finde ich per se interessant. Ich verfolge seit langem, was FESTOs "Bionic Learning Network" an Entwicklungen hervorbringt und bin dementsprechend nicht erst dadurch, dass der "Bionische Handling-Assistent" den Deutschen Zukunftspreis 2010 gewonnen hat, auf die FinGripper-Technologie aufmerksam geworden. Besonders die FinGripper-Finger haben mein Interesse geweckt, weil sie die Konstruktion eines mechanisch sehr einfachen und trotzdem flexiblen robotischen Greifers ermöglichen. Und weil Greifwerkzeuge für einen universell einsetzbaren Roboter ähnlich wichitg sein dürften, wie es die Hand für die menschliche Evolution war, gab es Grund genug für mich, mal ein paar konkrete Experimente mit den FinGripper-Fingern machen.

FESTO FinGripper Finger | Der Clou an den FinGripper Fingern ist der hier angewendete "FinRay Effect" (Fin Ray Effect ist eine Marke der EvoLogics GmbH, Berlin). Er ist der Schwanzflosse von Knochenfischen abgeguckt. Diese Flossen haben die Eigenschaft, sich einer auf sie einwirkenden Kraft entgegenzubiegen. Überträgt man die anatomischen Verhältnisse auf ein technisches Element, kann das wie FESTOs FinGripper Finger aussehen. Zwei aufeinander zulaufende Längsstreifen aus flexiblem Kunststoff sind durch in sich starre Querstreben miteinander verbunden. Die Querstreben setzen drehbar an den Längsstreifen an. Bemerkenswert ist übrigens auch das Herstellungsverfahren, die FinGripper Finger werden nämlich einteilig mitsamt Querstreben und deren Lagerung hergestellt. Dieses ist möglich dur das sog. "selektive Lasersintern" (landläufig "3D-Drucken"), bei dem Strukturen dreidimensional aus Polyamidpulver aufgebaut werden - aber das nur am Rande... Das folgende kurze Video zeigt den Fin Ray Effect an einem FinGripper Finger.

Mechanische Konstruktion | Da die Struktur der FinGripper Finger dafür sorgt, dass ein zu greifendes Objekt gut umschlossen wird, kann der Antrieb der Finger einfach gestaltet werden, sie brauchen z. B. nicht unabhängig in ihrer Stellung veränderbar sein. Bei meiner Konstruktion werden alle drei im Kreis angeordneten Finger von dem selben Schrittmotor bewegt. Der Motor verfügt über eine Gewindespindel, auf der eine Platte - quasi als große Spindelmutter - läuft. In dieser Platte sitzen drehbar gelagert drei Hebel, die ihrerseits in den Fußplatten für die Finger drehbar gelagert befestigt sind. Auf den Fußplatten sind die FinGripper Finger verschraubt. Die Fußplatten selbst sind außen in einer Gabel gelagert. Durch das Aktivieren des Motors wirkt ein Verdrehungsmoment auf die Spindelplatte, da diese aber konstruktionsbedingt nicht (nennenswert) verdrehbar ist, kommt es zu einer axialen Bewegung der Platte, die über den Hebelmechanismus auf alle drei Finger übertragen wird. Da die Finger sich nur rotatorisch bewegen können, führt der Schub über die Hebel dazu, dass die die Finger sich aufeinander zu oder voneinander weg drehen. Die verwendeten Materialien und insbesondere die Tatsache, dass nur ein Motor für alle drei Finger benötigt wird, führt dazu, dass der Aufbau relativ leicht ist, er wiegt nur ca. 220 Gramm. Das ist deshalb eine gute Eigenschaft, weil sich die Nutzlast eines Armes (o. ä.), an dem der Greifer montiert ist, natürlich um das Gewicht des Greifers verringert.

Elektronik | Da nur ein bipolarer Schrittmotor die ganze Struktur antreibt, ist auch die (vorläufige) Elektronik simpel. Ich verwende einen L293D Motortreiber, der von einem AVR Microcontroller angesteuert wird. Wer näheres zur Beschaltung des Treiber-ICs wissen will, bemühe eine Suchmaschine des Vetrauens (oder auch eine, der man nicht vertraut), man findet viele Beispiele. Für die auf-die-Schnelle Lösung kam wiedermal mein miniAVR-Board mit mega8 Controller zum Einsatz. Es verfügt über drei Taster, zwei davon verwende ich hier zum Öffnen und Schließen des Greifers. Über seine RS232 Schnitstelle kann das Board mit einem PC verbunden werden, um den Greifer von dort zu steuern. Mittlerweile habe ich noch eine kleine Ergänzung an der Treiberschaltung vorgenommen, die Stromversorgung des L293 läuft jetzt über eine einfache high-side Stromsensorschaltung, ich kann damit an einem ADC-Pin des AVRs den Gesamtstrom messen, der über den Motor fließt. Das dient dazu, zumindest grob auf die Kraft zurückschließen zu können, mit der die Finger an ein Objekt drücken - dazu unten mehr.

Grundfunktion | Man kann trivialerweise nicht erwarten, mit dem hier präsentierten simplen Aufbau einem so ausgeklügelten System wie der menschlichen Hand Konkurrenz machen zu können. Dennoch erreicht man mit den FinGripper Fingern schon ein beachtliches Maß an Flexibilität - trotz simpler mechanischer Struktur. Mit nur einem angetriebenen Freiheitsgrad - einem Motor - können Objekte sicher von den Fingern umschlossen und dadurch vom Greifer so fixiert werden, dass sie z. B. getragen werden können. Die zu greifenden Objekte können dabei auch unregelmäßig geformt sein, die einzelnen Finger passen sich recht gut an. Das hat den weiteren Vorteil, dass die Haltekraft nicht punktuell sondern relativ großflächig verteilt wirkt, sodass auch empfindlichere Objekte sicher und schonend gegriffen werden können. Trotzdem ist man durch die Anordnung der Finger, die ich hier umgesetzt habe, natürlich auf bestimmte Objektformen festgelegt, eben auf mehr oder weniger runde Gegenstände, die zudem auch nur von oben gegriffen werden können. Es folgt ein kleines Video von den ersten Tests mit dem Greifmechanismus (die schlechte Qualität bitte ich abermals zu entschuldigen):

Der aktuelle Aufbau muss noch in verschiedener Hinsicht verbessert werden. Aktuell gibt es kein Positionsfeedback, auch keinen Endlagen- oder Referenzsensor. Man kann mit dem Schrittmotor zwar theoretisch genau definierte Bewegungen machen, um aber absolute Positionen einstellen zu können, braucht man natürlich einen bekannten Bezugspunkt. Ein Taster für eine Endlage würde das Referenzproblem als solches zwar lösen, praktisch bliebe dabei aber immernoch das Problem, dass das definierte Öffnen und Schließen nur so lange sichergestellt ist, wie keine Schritte verloren gehen. Zum Schrittverlust kann es aber durchaus z. B. dann kommen, wenn ein Gegenstand so fest gefasst wird, dass die Kraft des Motors nicht ausreicht, um die Finger weiter zu schließen. Das ist ein grundsätzliches Problem, das auch hier ins Gewicht fällt, weil der Motor bei diesem Prototypen etwas schwächlich ausgefallen ist - was auf der anderen Seite natürlich den Vorteil hat, dass der Andruck der Finger begrenzt ist.

Kraftrückkopplung | Solange man den Greifer unter „visueller Kontrolle“ einsetzt, kann man schon recht gut mit ihm arbeiten. Eleganter wäre aber natürlich, wenn ein Greifvorgang auch automatisch ausgeführt werden könnte. Das Zugreifen muss dazu unter irgendeiner Bedingung terminiert werden. Da Objekte in ihrer Größe variieren können, ist es nicht sinnvoll, den Greifer grundsätzlich immer bis zu einer bestimmten Stellung zuzumachen. Besser wäre, beim Schließen einen definierten Andruck an das Objekt zu erzeugen. Die dazu nötige Information könnte man z. B. über flächendeckende Drucksensoren an den Fingern gewinnen. Eine wesentlich einfachere Variante ist es, den Motorstrom während des Greifvorganges zu messen. Dieser hängt natürlich davon ab, gegen welchen mechanischen Widerstand der Motor arbeiten muss, der wiederum von dem Widerstand abhängt, den die Finger durch das zu greifende Objekt erfahren. Um diesen Ansatz mal auszutesten, habe ich die Elektronik um einen Stromsensor im Versorgungszweig des Motortreibers ergänzt. Auf dieser Grundlage kann man den Greifer einfach bis zu einer definierten Stromschwelle schließen. Im folgenden Video habe ich dieses Verfahren mal mit einem Stückchen Schaumstoff getestet. Man sieht, wie der Schaumstoff mit steigender Schwelle immer stärker komprimiert wird, bevor das Schließen des Greifers endet.