Roboterhand der ETH Zürich krabbelt wie das «Eiskalte Händchen»
Forschende der ETH Zürich bringen einer handelsüblichen Roboterhand eine ungewöhnliche Doppelfunktion bei: Ihre Finger dienen sowohl zur Fortbewegung als auch zum Bedienen und Verschieben von Gegenständen.
Das «Eiskalte Händchen» aus der «Addams Family» spaziert auf den Fingern ganz natürlich wie auf Beinen. Die Roboterhand des Soft Robotics Lab muss dagegen diese Bewegungen erst lernen, Sie läuft über Gras, Kies und andere Untergründe, richtet sich nach einem Sturz wieder auf und kann außerdem eine Tastatur bedienen.
Das Forschungsprojekt trägt den Namen «Fingers as Legs». Amirhossein Kazemipour, Hehui Zheng und Robert Katzschmann haben ihre Ergebnisse als wissenschaftlichen Preprint veröffentlicht. Andere Forschende haben die Studie somit noch nicht unabhängig begutachtet.
Fünf Finger ersetzen die Beine
Als Basis dient eine kommerziell erhältliche WUJI-Roboterhand. Ihre fünf Finger besitzen 20 angetriebene Gelenke. Auf dem Handrücken sitzen zusätzlich ein Raspberry Pi Zero 2 W, ein Bewegungssensor und ein Lithium-Polymer-Akku. Das komplette System wiegt 818 Gramm.
Quelle: ETH Zürich / Soft Robotics Lab
Die Form der Hand macht das Laufen anspruchsvoll. Die Finger unterscheiden sich in Länge und Position. Der Daumen sitzt zudem seitlich versetzt. Vierbeinige Roboter haben es hier leichter, weil ihre Beine meist deutlich symmetrischer angeordnet sind.
Die Forschenden trainierten die Steuerung deshalb mit Reinforcement Learning. Dabei probiert ein System viele Bewegungen aus und erhält eine Rückmeldung dazu, wie gut sie das vorgegebene Ziel erfüllen. Das Training fand zunächst in einer Simulation statt. Dort lernte das neuronale Netz selbst, wann es welchen Finger bewegen muss.
Die Steuerung belohnt Bewegungen in die gewünschte Richtung und eine stabile Haltung. In der Simulation erreichte die Hand so eine Geschwindigkeit von 1,67 Zentimetern pro Sekunde. Eine angepasste Steuerung für vierbeinige Roboter kam unter denselben Bedingungen auf 1,02 Zentimeter pro Sekunde.
Vom Labor auf Kies und Asphalt
Auf der echten Hardware testete das Team die Hand auf 14 verschiedenen Untergründen. Dazu gehören Gras, Kies, Asphalt, Teppich, Fliesen, Hartholz, Beton und Metallgitter. Zusätzlich prüften die Forschenden, wie gut sich die Hand nach einem Sturz wieder aufrichtet. Eine eigens trainierte Steuerung brachte sie in 21 von 25 Versuchen zurück auf ihre Fingerspitzen.
Quelle: ETH Zürich / Soft Robotics Lab
Noch steuert allerdings kein einzelnes Modell sämtliche Fähigkeiten. Für das Laufen, Aufstehen und andere Aufgaben setzen die Forschenden unterschiedliche Steuerungen ein. Welche Aufgabe die Hand ausführt, wird dabei von außen vorgegeben. Auch Richtungswechsel bereiten der asymmetrischen Hand noch Schwierigkeiten.
Am Ziel werden die Beine wieder zu Fingern
Nach dem Laufen wechseln die Finger ihre Aufgabe. Eben noch tragen sie die Hand über den Boden, anschließend greifen, drücken oder verschieben sie Gegenstände.
Das Team demonstriert das unter anderem an einer Tastatur. Die Hand drückt dort nacheinander vorgegebene Tasten. Sie arbeitet dabei ohne Kamera. Von 32 Befehlen führte sie 29 korrekt aus. Vor dem Versuch mussten die Forschenden sie allerdings passend vor der Tastatur positionieren.
In einem weiteren Experiment schob die Roboterhand einen Würfel an verschiedene Zielpunkte. Eine Kamera über dem Versuchsaufbau lieferte dafür die Positionsdaten. Nach 15 Durchläufen lag der Würfel im Durchschnitt 17 Millimeter vom vorgegebenen Ziel entfernt.
Langfristig könnte das Prinzip Roboter flexibler machen. Die Forschenden beschreiben beispielsweise einen Roboterarm, der seine Hand an einer schwer erreichbaren Stelle absetzt. Von dort könnte sie selbstständig zu einem Schalter oder Gegenstand krabbeln, ihre Aufgabe erledigen und anschließend zurückkehren.
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