Gestrickter „Pullover“ wirkt wie eine Haut für Roboter

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Eine neue maschinengestrickte Pullover-„Haut“ könnte Robotern helfen, Kontakt und Druck zu spüren.

„Wir können das nutzen, um den Roboter bei seiner Interaktion mit Menschen intelligenter zu machen“, sagt Changliu Liu, Assistenzprofessor für Robotik an der Fakultät für Informatik der Carnegie Mellon University.

So wie Stricker jede Art von Garn nehmen und daraus eine Socke, Mütze oder einen Pullover in jeder Größe und Form verarbeiten können, kann der gestrickte RobotSweater-Stoff individuell an unebene dreidimensionale Oberflächen angepasst werden.

„Strickmaschinen können Garn in Formen formen, die nicht flach, sondern gebogen oder klumpig sein können“, sagt James McCann, Assistenzprofessor an der Fakultät für Informatik, dessen Forschung sich in den letzten Jahren auf die Textilherstellung konzentriert hat. „Das brachte uns zu der Überlegung, dass wir vielleicht Sensoren herstellen könnten, die über gekrümmte oder klobige Roboter passen.“

Sobald der Stoff gestrickt ist, kann er dem Roboter helfen, zu „spüren“, wenn ein Mensch ihn berührt, insbesondere in einer industriellen Umgebung, in der Sicherheit oberste Priorität hat. Aktuelle Lösungen zur Erkennung der Mensch-Roboter-Interaktion in der Industrie sehen aus wie Schutzschilde und verwenden sehr steife Materialien, die laut Liu nicht den gesamten Körper des Roboters bedecken können, da sich einige Teile verformen müssen.

„Mit RobotSweater kann der gesamte Körper des Roboters abgedeckt werden, sodass er mögliche Kollisionen erkennen kann“, sagt Liu, der sich in seiner Forschung auf industrielle Anwendungen der Robotik konzentriert.

Das Gestrick von RobotSweater besteht aus zwei Lagen leitfähigem Garn aus Metallfasern zur Stromleitung. Dazwischen liegt eine netzartige Schicht mit Spitzenmuster. Wenn Druck auf den Stoff ausgeübt wird – beispielsweise durch eine Berührung durch jemanden – schließt das leitfähige Garn einen Stromkreis und wird von den Sensoren erfasst.

„Die Kraft drückt die Zeilen und Spalten zusammen, um die Verbindung zu schließen“, sagt Wenzhen Yuan, Assistenzprofessor für Informatik und Leiter des RoboTouch-Labors. „Wenn eine Kraft durch die leitenden Streifen wirkt, würden die Schichten einander durch die Löcher berühren.“

Abgesehen von der Gestaltung der gestrickten Schichten, einschließlich Dutzender, wenn nicht Hunderter von Mustern und Tests, stand das Team vor einer weiteren Herausforderung bei der Verbindung der Verkabelungs- und Elektronikkomponenten mit dem weichen Textil.

„Es gab eine Menge umständlicher physischer Prototypenbau und Anpassungen“, sagt McCann. „Den Studenten, die daran arbeiteten, ist es gelungen, von etwas, das vielversprechend schien, etwas zu schaffen, das tatsächlich funktionierte.“

Was funktionierte, war, die Drähte um Druckknöpfe zu wickeln, die an den Enden jedes Streifens im Strickstoff angebracht waren. Snaps sind eine kostengünstige und effiziente Lösung, so dass sogar Hobbybastler, die Textilien mit elektronischen Elementen herstellen, sogenannte E-Textilien, sie verwenden könnten, sagt McCann.

„Man braucht eine Möglichkeit, diese Dinge miteinander zu verbinden, die stabil ist, damit sie Dehnungen aushält, aber das Garn nicht zerstört“, sagt er und fügt hinzu, dass das Team auch über die Verwendung flexibler Leiterplatten diskutiert habe.

Sobald RobotSweater am Körper des Roboters angebracht ist, kann er die Verteilung, Form und Kraft des Kontakts erfassen. Es ist außerdem genauer und effektiver als die visuellen Sensoren, auf die sich die meisten Roboter derzeit verlassen.

„Der Roboter bewegt sich so, wie der Mensch ihn drückt, oder kann auf soziale Gesten des Menschen reagieren“, sagt Yuan.

In der Forschung zeigte das Team, dass ein mit RobotSweater ausgestatteter Begleitroboter ihm durch Anstoßen mitteilte, in welche Richtung er sich bewegen oder in welche Richtung er den Kopf drehen soll. Bei der Verwendung an einem Roboterarm erlaubte RobotSweater einen Druck von der Hand einer Person, um die Bewegung des Arms zu steuern, während das Ergreifen des Arms ihm mitteilte, seinen Greifer zu öffnen oder zu schließen.

In zukünftigen Forschungen möchte das Team untersuchen, wie man Reaktionen auf Wisch- oder Kneifbewegungen auf einem Touchscreen programmieren kann.

Die Forscher werden den RobotSweater-Forschungsbericht, der sich derzeit im Vordruck befindet, auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2023 vorstellen. Weitere Co-Autoren sind von der University of California, Santa Barbara und Carnegie Mellon.

Quelle: Carnegie Mellon University

Originalstudie