Untersuchung menschlicher Griffsteifigkeit zur Teleoperation einer weichen Roboterhand

Abstract

Der Nutzen und die Flexibilität eines robotergesteuerten Greifers ist stark von der Anzahl an unterschiedlichen, ausführbaren Griffarten und der Komplexität der Steuerung abhängig. Eine inhärente Nachgiebigkeit des Endeffektors kann zusätzliche Freiheitsgrade bereitstellen, ohne dass sich der Aufwand zur Steueung erhöht und zusätzlich die Aktoren im Falle einer Kollision mit der Umwelt schützt sowie die Interaktion zwischen Mensch und Maschine sicherer macht. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz der Telemanipulation der Steifigkeit einer weichen, nachgiebigen Roboterhand präsentiert, bei dem die, durch oberflächliche Elektromyographie (sEMG), gemessene Aktivität zweier intrinsischer Handmuskeln zur aktiven Beeinflussung der Fingersteifigkeit der Roboterhand genutzt wird. Der Nutzen einer Variabilität der Steifigkeit wird in einem Greifexperiment untersucht. Zuerst werden theoretische Grundlagen vermittelt und der Stand der Technik sowie die verwendete Roboterhand vorgestellt. Hierauf folgt die Beschreibung der Aufnahme und Verarbeitung der sEMG-Signale und einer Kalibrierungsmethode zwischen sEMG und Steifigkeit mit einer kostengünstigen, autonomen Messbox. Die Telemanipulation der Steifigkeit wird in einer Probandenstudie über das Greifen einer Lebensmittelschale aus einer Kartonagenkiste untersucht. Drei unerschiedliche Fingersteifigkeiten - gering, hoch und sEMG-basiert - werden geestet. Haptisches Feedback wird über ein Force Feedback Gerät zurückgegeben. Eine Sichtbeeinträchtigung wird über eine modifizierte Schweißerbrille simuliert. Es wird der Einfluss der Sichtbeeinträchtigung, des Force Feedback und der variablen Steifigkeit auf den Greiferfolg analysiert. Die Greifstrategie zeigt das Ausnutzen von Umweltbedingungen, um einen sicheren Griff auf das Objekt zu ereichen. Die hohe und sEMG-basierte Steifigkeit bietet insgesamt mehr Vorteile als die geringe Steifigkeit. Die Sichtbeeinträchtigung hat direkten Einfluss auf die Zeit und Anzahl an Greifvorgängen, bevor ein einzelner Greifversuch abgeschlossen werden kann sowie auf das Gelenksdrehmoment. Das Force Feedback reduziert die Motorposition der Roboterhand. Mögliche Anwendungsgebiete für eine aktive Steuerung der Impedanz sind die impedanzgeregelte Teleoperation, Roboter im Mensch-Maschine-Kontakt sowie die Handhabung von empfindlichen Objekten.