Robotics and Biology Laboratory

Co-Design von Steuerung und weicher Morphologie für In-Hand Manipulation

Kontaktpersonen

Apoorv Vaish

Projektbeschreibung

Die Soft-Material-Robotik bietet wichtige Vorteile gegenüber der traditionellen, "harten" Robotik.  Das Verhalten eines weichen Roboters ist nicht ausschließlich das Ergebnis von Steuerbefehlen, wie es bei harten Robotern der Fall ist.  Vielmehr wird das Verhalten auch durch die Form und die Materialeigenschaften des Roboters bestimmt, d. h. durch seine Morphologie.  Wenn weiche Roboter mit ihrer Umgebung in Berührung kommen, verformen sie sich und übernehmen damit implizit Aspekte der Steuerung, Erkennung und Betätigung.  Ein kluges morphologisches Design wirkt sich daher positiv auf das Verhalten des Roboters aus und vereinfacht gleichzeitig die Steuerung und Sensorik.  Die Vorteile eines geeigneten morphologischen Designs haben sich in vielen Systemen und Anwendungen gezeigt, von schwimmenden Robotern bis zu fliegenden Robotern und vom Greifen bis zur Fortbewegung.

Die "Programmierung" von weichen Robotern bleibt jedoch ein weitgehend offenes Problem.  Während bei harten Robotern die Programmierung die Spezifikation von Betätigungsbefehlen bedeutete, müssen wir bei weichen Robotern sowohl die Steuerung als auch die Morphologie des Roboters "programmieren", um die Vorteile der Robotertechnik mit weichen Materialien voll auszuschöpfen. Und natürlich stehen diese beiden Probleme in enger Wechselwirkung. Wir sprechen daher von einem Co-Design-Problem: Wir müssen Steuerung und Morphologie gemeinsam festlegen, um das Verhalten eines Systems zu bestimmen. Bestehende Lösungen für dieses Problem bestehen aus Lösungsinstanzen, die durch Intuition und Versuch-und-Irrtum entworfen wurden. Damit die Soft-Material-Robotik als Feld reifen kann, müssen wir ein Verständnis für dieses neuartige Designverfahren entwickeln.

Das zentrale Dogma des Co-Designs ist, dass der Suchraum, der sich über Hardware-, Steuerungs- und Umgebungsdesignparameter erstreckt, hochdimensional ist. Darüber hinaus gibt es noch keine etablierten Verfahren, die das Co-Design für komplexe Robotersysteme effektiv machen. Hardware-, Steuerungs- und Umgebungsentwurfsmethoden sind uneinheitlich und beschränken die Entwurfsuntersuchung auf eine einzige Achse des Entwurfsraums. Für einen nahtlosen Übergang zwischen hardware-, steuerungs- und umgebungszentrierten Entwürfen benötigen wir eine vereinheitlichende Darstellung, die es uns ermöglicht, die Verantwortlichkeiten selektiv zu verteilen. In diesem Projekt verwenden wir Umgebungseinschränkungen als zugrundeliegende Repräsentation des Co-Design-Raums, um einen Co-Design-Raum zu schaffen, der sich für gradientenbasierte Optimierung eignet.

Förderung

Dieses Projekt wird von der Europäischen Kommission (SOMA, H2020-ICT-645599), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie - EXC 2002/1 "Science of Intelligence" - Projektnummer 390523135 und dem deutschen Schwerpunktprogramm DFG-SPP 2100 "Soft Material Robotic Systems" gefördert.

Publikationen

2024

Vaish, Apoorv; Brock, Oliver
Co-designing Manipulation Systems Using Task-Relevant Constraints
Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA),
Mai 2024

2017

Deimel, Raphael; Irmisch, Patrick; Wall, Vincent; Brock, Oliver
Automated Co-Design of Soft Hand Morphology and Control Strategy for Grasping
IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Seite 1213-1218
September 2017