Humanoide Robotik (B.Eng.): BHT Berlin (bht-berlin.de)

„Leaf“ ist ein Projekt das im Rahmen der Gruppenarbeit “Robotik Projekt“ im 2. Semester an der Berliner Hochschule für Technik stattgefunden hat. Die Studierenden des Studiengangs Humanoide Robotik hatten die Aufgabe eine Roboterhand zu entwickeln. Diese Roboterhand sollte den bereits bestehenden Roboterarm, mit dem Namen “Panda“, ergänzen. Verwendet werden soll die Roboterhand in der Landwirtschaft und Einsätze rund um die Tomate (Tomaten ernten, verwelkte Äste abbrechen, ungesunde Äste beschneiden) verfolgen. Dazu sollte die Roboterhand stark genug sein, um die Arbeit an den Tomatenpflanzen zu verrichten, ohne beschädigt zu werden.

Die Roboterhand ist einer menschlichen Hand nachempfunden, die alle Funktionen des Greifapparates ausführen kann um die Anforderungen zu erfüllen. Hergestellt wurden die einzelnen Komponenten bzw. Handglieder im 3D-Druckverfahren. Nach dem Zusammenbau und der Verdrahtung wurde die Roboterhand im Gewächshaus der Berliner Hochschule für Technik auf Herz und Tomate geprüft.

In der sogenannten „CatchUp-Challenge“ wurde die Entwicklungsarbeit unter anderem anhand der erfolgreichen Durchführung von Benchmarks in der Tomatenernte bewertet. Die Roboterhand hat alle Anforderungen der „CatchUp-Challenge“ erfüllt, womit die Studierenden ihre Prüfung bestanden haben.

Zu Beginn waren wir motiviert, die Prüfung erfolgreich abzuschließen. Im weiteren Verlauf erfuhren wir, dass Fördergelder bereitgestellt werden, um die Entwicklung der bestmöglichen Hand zu unterstützen – mit dem Ziel, die Landwirtschaft in Gewächshäusern nachhaltig und innovativ zu gestalten.

Beim Konzept haben wir uns daran orientiert eine menschliche Hand nachzubilden, weil die menschliche Hand am besten geeignet ist, alle Funktionen auszuführen. Die Funktionen des Greifapparates der menschlichen Hand stammen aus der Anatomie. Beim Nachbilden des Greifapparates haben wir uns insbesondere auf die Recherche des Daumen-Handflächen-Gelenk fokussiert, weil es das komplexeste Gelenk der Hand ist und für die Aufgabe der Roboterhand entscheiden ist.

Das Projekt wurde in Projektphasen eingeteilt. Den Stand des laufenden Projektes hatte das Projektteam, bestehend aus Mohamad Soufi, Mohammad Abdul Jabbar Musa Irshad, Pablo Pincay und Daniel Allgeier, während der dreimonatigen Projektphase in regelmäßigen Abschnitten ihren Dozenten präsentiert.

Dabei übernahm Mohamad Soufi die Projektleitung,  der bereits 2 Jahre lang Medizin an der Universität Greifswald studierte und sein einschlägiges Wissen zur Anatomie in diesem Projekt nutzen konnte. Weitere Aufgaben wurden wie folgt verteilt:

Mohamad Soufi: Entwicklung des Design, 3D-Konstruktion in “Solid Works“

Mohammad Abdul Jabbar Musa Irshad: Entwicklung des Design

Pablo Andres Ordonez Pincay: Entwicklung der Steuerung, Programmierung des Codes mit “Python“

Daniel Allgeier: Entwicklung der Motorbox

Das Team war während der Projektzeit im gegenseitigen Austausch, um das Projekt technologisch voranzubringen.

Die einzelnen Komponenten bzw. Handglieder wurden durch die Berliner Hochschule für Technik am 3D-Drucker gefertigt. Auf die Studierenden kam eine Eigenbeteiligung von ca. 25 Euro für Gummibänder, als Ersatz für Sehnen an den Gelenken sowie für einen  Fahrradbremsschlauch, der an den Finger zum Einsatz gekommen ist.

In den ersten drei Wochen haben wir Recherche betrieben und Ideen entwickelt sowie diskutiert. Ab der vierten Woche haben wir mit der Gestaltung begonnen.

Im ersten Schritt haben wir einen Finger entworfen und diesen an Tomaten ausprobiert, um die Wirkung zu sehen.

Im zweiten Schritt entwarfen wir das Finger-Handflächen-Gelenk, das wir „Gabelgelenk“ nennen. Dieser Teil erfüllt die Skalierungsfunktion und hilft bei der Ab- und Adduktion aller Finger außer dem Daumen.

Anschließend hatten wir uns ca. 7 Wochen der  Gestaltung der Handfläche und des Daumens gewidmet.

Die große Herausforderung lag im Daumen-Handflächen-Gelenk und die Gummibänder exakt anzuordnen. Es hat viel Zeit gekostet, das Design zu optimieren, um die Funktionen zu erfüllen und dabei die Gummibänder nicht zu beschädigen. Bevor wir die Gummibänder benutzten, versuchten wir, Magnete zu verwenden, aber es war nicht erfolgreich, weil die Magnete, die wir im Labor hatten, nicht die richtige Form hatten und weil sie zu kostspielig waren.

Gleichzeitig entwarfen wir den Mikrokontroller, die Steuerschaltung und die Motorbox.

Die letzte Woche war für die Programmierung und das Testen der Hand vorgesehen.

Musa und Mohamad Soufi haben sich über den Projektzeitraum mit dem Entwurf der Hand beschäftigt, während Pablo den Controller und Daniel die Motorbox gebaut hat.

Am Ende haben sich Pablo, Musa und Daniel mit dem Code in “Python“ auseinandergesetzt, den Pablo programmiert hat.

Alle mechanischen Komponenten bzw. Handglieder wurden von der Universität am 3D-Drucker gefertigt

Dieses Projekt richtet sich an landwirtschaftliche Unternehmen und landwirtschaftliche Kleinbetriebe und kann sowohl in der Landwirtschaft als auch in der Industrie und vielleicht in Zukunft auch in der Prothetik eingesetzt werden.

Die Roboterhand besteht aus folgender Hardware

  • 3D-gedruckte Komponenten bzw. Handglieder (Prusa 3D-Drucker)
  • Dynamixel-Motoren XL330
  • U2D2-Mikrocontroller.

Im Projekt verwendete Software

  • Prusa G-Code Viewer
  • Dynamixel Wizard
  • Solidworks.

Nachdem wir die Hand zusammengesetzt hatten, testeten wir die Bewegungen mit dem Dynamixel Wizard Programm und bestimmten die Bewegungsgrade durch die Gradzahlen der sich bewegenden Motoren, dann wendeten wir die benötigten Bewegungsgrade im Code im “Python“ Programm an und dann konnten wir durch den Controller-Befehl den Befehl geben, die Bewegung der Hand zu starten.

Die Roboterhand haben wir im Gewächshaus der Berliner Hochschule für Technik getestet und als „CatchUp-Challenge“ mit unserem Professor durchgeführt.

Es gab eine Funktion, bei der wir eine Schere halten mussten, um ein ganzes Bündel Kirschtomaten zu schneiden, was uns leider aus Zeitgründen nicht gelungen ist, aber alle anderen Funktionen waren erfolgreich. Wir haben vor, weitere Funktionen für andere Branchen und später in der Prothetik zu entwickeln.

Abduktion der Finger und Daumen
Adduktion Kleiner Finger, Ringfinger sowie Daumen
Roboterarm, Handrücken Ansicht
Roboterarm, Handfläche Ansicht

Die meisten Ideen waren neue Ideen, die wir aus der Anatomie oder der Mechanik ableiteten und die wir weiterentwickelt haben, wie das “Gabelgelenk“ und die “Skalenfunktion“ für die Ab- und Adduktion der Finger.

Viele andere Ideen wie die “Funktion der menschlichen Wirbelsäule“ für die Rückführung der Finger zum Mittelpunkt aus der Ab- und Adduktionsbewegung waren ebenfalls neue Ideen.

Der Fahrradbremsschlauch, der die Beugungsfäden zu den Motoren führt, ohne andere Bewegungen zu beeinträchtigen, war eine alte Idee, aber in der Industrie werden PTFE-Schläuche anstelle des von uns verwendeten Bremsschlauchs verwendet. Wir haben also die Idee übernommen, aber die Anwendung der Idee geändert.

Wir planen weitere Funktionen, die mit anderen Branchen und später mit der Prothetik zusammenhängen.

Wir haben unser Bestes getan, um die Kosten und die Zeit für den Bau der Hand zu reduzieren und damit den CO2-Verbrauch zu senken. Wir haben auch recyclebare Materialien wie PLA verwendet, um die beschädigten Teile wiederzuverwenden und zu recyceln.

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