Wenn wir an Robotermanipulation denken, denken wir normalerweise standardmäßig an Greifer, also Roboter, die Manipulatoren (wie Finger oder andere Endeffektoren) verwenden, um mit Objekten zu interagieren. Für die meisten Menschen kann die Interaktion mit Objekten jedoch viel komplizierter sein, und wir verwenden alle Körperteile, die uns zur Verfügung stehen, um große, schwere oder unhandliche Objekte zu handhaben.
Diese etwas restriktive Definition der Robotermanipulation ist nicht wirklich die Schuld der Robotik. Das Wort „Manipulation“ selbst kommt aus dem Lateinischen und bedeutet „sich mit den Dingen vertraut machen“. Hinter dem Begriff stecken also ein oder zwei Jahrtausende handbezogener Trägheit. Das Toyota Research Institute (TRI) mit Sitz in Los Altos, Kalifornien, geht mit seinem neuen Humanoiden Punyo einen breiteren Blickwinkel ein und nutzt seinen weichen Körper, um Objekte zu manipulieren, die sonst mit einer Zange allein kaum zu handhaben wären.
„Eine anthropomorphe Verkörperung ermöglicht es uns, die Komplexität sozialer Interaktionen wie körperliche Unterstützung, nonverbale Kommunikation, Absicht, Vorhersehbarkeit und Vertrauen zu erforschen, um nur einige zu nennen.“ —Alex Alspach, Toyota Research Institute (TRI)
Punyo begann als einfacher matschiger Greifer bei TRI, aber die Idee bestand immer darin, ihn zu einem großen matschigen Humanoiden aufzurüsten, daher diese Konzeptzeichnung eines matschigen T-HR3:
Dieses Konzeptbild zeigt, wie Toyotas humanoider T-HR3 aussehen könnte, wenn man ihn in eine Blase steckt.SORTIERUNG
„Wir verwenden den Begriff „blasig“, erklärt Alex Alspach, technischer Leiter von Punyo bei TRI. Alspach sagt uns, dass die obige Konzeptkunst nicht unbedingt widerspiegelt, wie der humanoide Punyo letztendlich aussehen wird, aber „sie gab uns physische Einschränkungen und eine Designsprache.“ Es hat auch die Idee bestärkt, dass wir nach allgemeinen Hardware- und Softwarelösungen suchen, die zukünftige und bestehende Roboter erweitern und ihnen ermöglichen können, ihren gesamten Körper für Manipulationen voll auszunutzen.
Diese Version von Punyo erlaubt keine Manipulation des gesamten Körpers, aber sie kann viele Dinge mit ihren Armen und ihrer Brust tun, die mit Lufteinschlüssen bedeckt sind, die sowohl Erkennung als auch Compliance ermöglichen:
Viele dieser Bewegungen sind sehr menschenähnlich, denn auf diese Weise manipulieren Menschen Dinge. Ich möchte nicht allzu viel Schatten auf all diese humanoiden Lagerroboter werfen, aber wie das Video oben zeigt, ist es nicht die Art und Weise, wie Menschen es tun, wenn sie nur ihre vor uns ausgestreckten Hände zum Heben von Gegenständen verwenden, da sie zum Heben andere Körperteile verwenden Objekte. Durch die zusätzliche Unterstützung wird das Heben erleichtert. Dies ist jedoch kein triviales Problem für Roboter, da die Wechselwirkungen zwischen starren Punktkontakten (wie die meisten Robotermanipulatoren mit der Welt umgehen) ziemlich gut verstanden sind. Sobald Sie der Mischung große weiche Oberflächen sowie große schleimige Objekte hinzufügen, sind die meisten Roboter einfach nicht mehr darauf vorbereitet.
„Ein weicher Roboter gemacht nicht an einem einzigen Punkt mit der Welt interagieren. –Russ Tedrake, TRI
„Die heutige Robotermanipulation hat sich aus großen, leistungsstarken Industrierobotern entwickelt, die Autoteile und große Werkzeuge mit ihren Endeffektoren bewegen“, sagt Alspach. „Ich denke, es ist klug, sich von der menschlichen Form inspirieren zu lassen: Wir sind stark genug, um die meisten alltäglichen Aufgaben mit unseren Händen zu erledigen, aber wenn etwas Großes und Schweres auf uns zukommt, müssen wir bei der Art und Weise, wie wir es tun, kreativ werden Wir legen unsere Arme darum und positionieren unseren Körper so, dass wir ihn anheben können.
Roboter sind dafür bekannt, große und schwere Gegenstände zu heben, hauptsächlich indem sie sie mit Roboterformfaktoren auf roboterhafte Weise manipulieren. Was ist überhaupt das Tolle am menschlichen Formfaktor? Diese Frage geht natürlich weit über Punyo hinaus, aber wir wollten wissen, wie das Punyo-Team Humanoiden sieht, und haben ihnen zum Spaß noch ein paar Fragen gestellt.
IEEE-Spektrum: Warum also Humanoide?
Alspach: Der humanoide Roboter überprüft einige wichtige Kästchen. Erstens sind die Umgebungen, in denen wir arbeiten wollen, für den Menschen konzipiert. Die humanoide Form hilft einem Roboter daher, die Räume und Werkzeuge um ihn herum zu nutzen. Unabhängig davon haben sich mehrere TRI-Teams auf zwei manuelle Systeme für Aufgaben wie Lebensmitteleinkauf und Essenszubereitung konzentriert. Ein Rumpf zwischen diesen Armen ist eine einfache Ergänzung, die uns auch nützliche Kontaktflächen für den Umgang mit großen Gegenständen bietet. Darüber hinaus hat unser Team für Mensch-Roboter-Interaktion (HRI) umfangreiche Forschungsarbeiten mit älteren Erwachsenen durchgeführt, den Menschen, denen wir am meisten helfen möchten. Eine anthropomorphe Verkörperung ermöglicht es uns, die Komplexität sozialer Interaktionen wie körperliche Unterstützung, nonverbale Kommunikation, Absicht, Vorhersehbarkeit und Vertrauen zu erforschen, um nur einige zu nennen.
„Wir konzentrieren uns nicht auf sehr präzise Aufgaben, sondern auf grobe Manipulationen des gesamten Körpers, bei denen robuste Strategien dabei helfen, Objekte zu stabilisieren und zu kontrollieren, und ein wenig Nachlässigkeit von Vorteil sein kann.“ —Alex Alspach, TRI
Macht es für Sie schwieriger, einen Seifenblasenroboter zu haben?
Russ Tedrake, Vizepräsident für Robotikforschung: Wenn Sie Ihren Roboter irgendwann als mit der Welt interagierend betrachten (Standardansicht, z. B. zur Impedanzkontrolle), dann platzieren Sie eine weiche, passive Feder in Reihe zwischen Ihrem Roboter und der Welt. Tun die Leistung begrenzen. Dadurch verringert sich Ihre Steuerungsbandbreite. Aber diese Ansicht verfehlt den wichtigeren Punkt. Ein sanfter Roboter erledigt das nicht an einem einzigen Punkt mit der Welt interagieren. Weiche Materialien verändern die Kontaktdynamik grundlegend, indem sie sich um das Material herum verformen und Punktkontakte erzeugen, die Kontaktkräfte und -momente ermöglichen, die durch starre Wechselwirkung nicht möglich sind.
Alspach: Die Weichheit von Punyo ist im Vergleich zu anderen Manipulationsplattformen, die beispielsweise einfach nur Gummipolster an den Armen oder Fingern haben, extrem weich. Diese Konformität bedeutet, dass sich ein Objekt, wenn wir es greifen, möglicherweise nicht genau dort befindet, wo wir es beabsichtigt haben, oder dass es sich, wenn wir es beispielsweise gegen die Tischkante stoßen, in unsere Reichweite bewegen kann. Aus diesen Gründen ist die Berührungserkennung ein wichtiger Teil unserer Lösung, da wir den Zustand der von uns gehandhabten Objekte messen und steuern möchten. Wir konzentrieren uns nicht auf sehr präzise Aufgaben, sondern auf grobe Ganzkörpermanipulationen, bei denen robuste Strategien zur Stabilisierung und Kontrolle von Objekten beitragen und ein wenig Nachlässigkeit von Vorteil sein kann.
Compliance kann auf verschiedene Weise erreicht werden, auch ausschließlich durch Software. Wie wichtig ist es, einen physischen Roboter zu haben, der sich matschig verhält, und nicht nur einen Roboter, der sich matschig verhält?
Andrew Beaulieu, technischer Leiter von Punyo: Wir glauben nicht, dass passive und aktive Compliance sich gegenseitig ausschließen sollten, und ein körperlich fragiler Roboter hat mehrere Vorteile, insbesondere wenn man bedenkt, dass er in der Nähe von Menschen und in deren Räumen operieren kann. Ein Roboter, der sicher mit der Welt interagieren kann, eröffnet Möglichkeiten für Interaktion und Erkundung. Die Verwendung konformer Materialien am Roboter ermöglicht es ihm auch, sich passiv an komplexe Formen anzupassen, was andernfalls komplexere Gelenk- oder Betätigungsmechanismen erfordern würde. Durch die Anpassung an Objekte können wir die Kontaktfläche mit dem Objekt vergrößern und Kräfte verteilen, wodurch im Allgemeinen ein robusterer Griff entsteht. Diese konformen Oberflächen ermöglichen es uns, Planungs- und Steuerungsmethoden zu untersuchen, die möglicherweise weniger präzise sind, weniger auf der genauen Objektpositionierung basieren oder Hardware mit weniger präziser Steuerung oder Erfassung verwenden.
Wie fühlt es sich an, von Punyo geküsst zu werden?
Kate Tsui, technische Leiterin von Punyo HRI: Obwohl Punyo kein sozialer Roboter ist, gehen aus seiner Umarmung überraschend viele Emotionen hervor, die eher tröstlich wirken. Eine Punyo-Umarmung fühlt sich an wie eine lange, anhaltende und angenehme Umarmung von einem engen Freund, den man schon lange nicht mehr gesehen hat und den man nicht mehr loslassen möchte.
Eine Reihe von Konzeptbildern zeigt Situationen, in denen Ganzkörpermanipulationen zu Hause nützlich sein könnten.SORTIERUNG
(Ende der Interviewtranskription.)
Sanftmut scheint eine notwendige Voraussetzung für zweibeinige Humanoide zu sein, die in unmittelbarer Nähe von Menschen arbeiten, insbesondere in gewerblichen oder häuslichen Umgebungen, in denen Interaktionen weniger strukturiert und vorhersehbar sind. „Ich denke, dass es bald mehr Roboter geben wird, die ihren gesamten Körper zur Manipulation nutzen, insbesondere angesichts der jüngsten Explosion von Humanoiden außerhalb akademischer Labore“, sagt Alspach. „Vielseitige und leistungsstarke Robotermanipulation ist ein Wettbewerbsfeld, und der Einsatz des gesamten Körpers ermöglicht die effiziente Manipulation großer, schwerer und sperriger Objekte.“
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