Zweiarmiger Baseball-Roboter wirft, fängt und schlägt Bälle menschenähnlich

Ein Forschungsteam des Robotics and AI Institute (RAI) haben mit AthenaZero ein stationäres, zweiarmiges Robotersystem entwickelt, dessen Arme so beweglich und nachgiebig sind, dass sie menschenähnliche Bewegungen ausführen können. Die Wissenschaftler brachten dem Roboter bei, Bälle zu fangen, zu werfen und mit einem Schläger zu schlagen ähnlich wie beim Baseball-Spiel.

Die menschliche Bewegung ist komplex und lässt sich nur mit erheblichem Aufwand mit humanoiden Robotern nachbilden. Dazu sind sehr schnell reagierende Aktuatoren nötig, die hochpräzise koordiniert werden müssen, um flüssige menschenähnliche Bewegungen zu erzeugen. Bisher richtete sich das Augenmerk bei der Entwicklung humanoider Roboter meist auf eine menschenähnliche Fortbewegung. Die Arme werden eher stiefmütterlich behandelt.

Das Robotersystem AthenaZero zielt dagegen ausschließlich auf Armbewegungen ab. Es handelt sich dabei um einen stationären, fest montierten Oberkörper mit zwei Armen. Hüfte, Beine, Füße und ein Kopf fehlen. Auch der Rumpf selbst ist statisch, kann sich aber drehen, wie aus der Studie „AthenaZero: A low-inertia, bimanual robot for dynamic manipulation“ hervorgeht, die in Science Robotics erschienen ist. Die Forscher des RAI haben darin untersucht, inwieweit ein starrer Roboter in der Lage ist, hinsichtlich Masse und Drehmoment ähnliche Eigenschaften zu erzielen wie ein Mensch.

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Die strukturellen Elemente der Roboterarme des AthenaZero bestehen im Wesentlichen aus starren Bauteilen. Die Gelenke des Roboters sind dagegen mit schnell reagierenden Aktuatoren versehen und hochbeweglich ausgelegt. Die Gelenke sind so konzipiert, dass sie bei Krafteinwirkung nachgeben. Dadurch ist das Robotersystem in der Lage, auch dann noch kontrollierte Bewegungen auszuführen, wenn die Arme in Kontakt mit einem Objekt kommen oder eine Kraft auf sie einwirkt. Die Arme können so deutlich effektiver auf Kräfte reagieren, wie Robotersysteme, die feste Gelenke verwenden. Die Roboterarme mit ihren beweglichen Händen mit drei Fingern können dadurch ein breiteres Bewegungsspektrum abdecken und feinfühlig sowie kraftvoll wie ein Mensch agieren.

Fangen, werfen, schlagen

Die Wissenschaftler wählten zur Demonstration des Systems ein besonders anspruchsvolles Tätigkeitsgebiet aus: Baseball. Das System sollte dabei Bälle fangen, werfen und einem Baseballschläger schlagen können. Um das zu erreichen, muss das System sehr schnell reagieren, feinfühlig sowie kraftvoll agieren können.

Die Arme konnten aufgrund der mechanischen Eigenschaften der Aktuatoren und der nachgiebigen Gelenke, die ihre Nachgiebigkeit je nach Krafteinwirkung selbstständig regulieren, Bälle sanft auffangen, kraftvoll abwerfen und mit einem Schläger schlagen. Durch die nachgiebigen Gelenke, etwa wenn ein Ball auf die Roboterhand und den Arm beim Fangen einwirkt, wird die Aufprallenergie aufgenommen und über die gesamte kinematische Kette des Roboters abgebaut.

Die Wissenschaftler wollen das Robotersystem zukünftig noch weiter optimieren, um andere komplexere Manipulationstätigkeiten in realen dynamischen Umgebungen ausführen zu können.