Verwandlung von Robotern in qualifizierte Kellner
Forscher des Münchner Instituts für Robotik und Maschinelle Intelligenz (MIRMI) an der Technischen Universität München (TUM) haben ein Modell entwickelt, mit dem ein Roboter Tee und Kaffee schneller und sicherer als ein Mensch servieren kann - ohne zu schwappen. Die Mathematik hinter dem Pendel, das in dem Konzept verwendet wird, ist mehr als 300 Jahre alt.
Dr. Luis Figueredo vom Robotik-Institut MIRMI der Technischen Universität München (TUM) bringt einem Roboter bei, ein volles Glas Wasser zu tragen, ohne es zu verschütten.
Wolfgang Maria Weber / TUM
symbolisches Bild
Computer generated picture
Kann ein Roboter ein besserer Kellner sein als ein Mensch? Um diese Frage zu beantworten, stellt Dr. Luis Figueredo, leitender Wissenschaftler im Team von Prof. Sami Haddadin, einen Roboterarm des spezialisierten Roboterherstellers Franka Emika auf einen Tisch und schließt einen Computer an. Die Hand des Roboters ergreift ein Glas, das bis zum Rand mit Wasser gefüllt ist, hebt es an und schaukelt es hin und her, ohne einen Tropfen zu verschütten. "Und das schneller und sicherer als ein Mensch", sagt die Wissenschaftlerin vom Munich Institute of Robotics and Machine Intelligence (MIRMI) der TUM.
Nachahmung der Bewegung des marokkanischen Teetabletts
Wie funktioniert das? Das Team fütterte den Roboter einfach mit algebraischen Formeln, die mehrere Jahrhunderte alt sind. Als mathematische Grundlage diente ihnen ein marokkanisches Teetablett, das nach dem Prinzip eines Kugelpendels funktioniert. Zusammen mit dem Doktoranden Riddhiman Laha und dem Masterstudenten Rafael I. Cabral Muchacho bettet Figueredo die Dynamik eines sphärischen Pendels in die Steuerungssoftware des Roboters ein. Das bedeutet auch, dass die Bewegungen des Roboters durch die Grundprinzipien der Geometrie begrenzt sind. Gemeinsam mit seinem Team integriert er auch die richtigen Winkel, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in das Modell. "Wenn man versteht, wie sich ein Pendel bewegt und weiß, wie es funktioniert, ist es plötzlich ganz einfach", sagt Figueredo.
Die Mathematik eines Pendels: eine einfache Lösung für ein komplexes Problem
Die Wissenschaft der "schwappfreien Bewegung" ist ein komplexes Gebiet. "Die meisten Ansätze konzentrierten sich auf die Begrenzung der Beschleunigung, um das Schwappen von Flüssigkeiten unter Kontrolle zu halten. Oder man hat mit der Strömungsdynamik gearbeitet, um zu berechnen, wie sich diese Substanzen verhalten, um die Flugbahnen vorherzusagen", erklärt Figueredo: "Das dauert mindestens ein paar Minuten, wenn nicht sogar Stunden, und das Ergebnis ist immer noch unsicher."
Anwendungen im Gesundheitswesen und beim Transport gefährlicher Flüssigkeiten
Als praktische Anwendung stellen sich die Wissenschaftler zunächst eine innovative robotische Unterstützung für ältere und pflegebedürftige Menschen vor. "Aber auch Industrien, die mit dem Transport von biologisch und chemisch gefährlichen Stoffen zu tun haben, wären wahrscheinlich an einer solchen Lösung interessiert", sagt Figueredo. Ein kritischer Punkt bleibt die Sicherheit: Ein Roboter sollte idealerweise in der Lage sein, gefährliche Situationen zu erkennen. "Dafür brauchen wir eine bessere Wahrnehmung", sagt Figueredo. Sensoren würden es der Maschine dann ermöglichen, Menschen nicht nur zu erkennen, sondern auch ihre Bewegungen vorherzusagen. Nur so lassen sich Kollisionen mit dem Roboter völlig ausschließen. Bislang arbeitet der Roboter mit "taktilen Sensoren" als Sicherheitsmechanismus. Im derzeitigen schwappfreien Modus zieht sich der Roboterarm sofort zurück, wenn er eine Kollision bemerkt, hält aber auch die Flüssigkeit sicher.
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