1. Bionische Hand – Ein Überblick

Bionische Hand – Ein Überblick

Der erste allgemeine Eindruck von Robotern ist – es handelt sich um eine künstliche Maschine, die einem menschlichen Körper ähnelt und sich ähnlich wie pipeline verhält. Wir erwarten sozusagen, dass sie mit uns sprechen und uns verstehen. Solche Roboter werden daher Humanoide genannt. Tatsächlich gibt es viele viel einfachere mechanische Roboter, die in der Industrie eingesetzt werden. Sie führen meist nur eine oder einige wenige Aktionen aus (z. B. das Übergeben eines hergestellten Gegenstands von einem Arbeiter zum anderen), aber die allgemeinen Funktionsprinzipien sind die gleichen... 

^{Abbildung 1. Beispiel einer bionischen Hand}

Die Situation erscheint nicht so kompliziert, wenn man sie in Teile zerlegt und von innen betrachtet – aktuelle technologische Errungenschaften ermöglichen es uns, selbst pipeline bionische Hand zu bauen (DIY = „do it yourself“): 

• Die „Körper“-Teile einer bionischen Hand können mit einem 3D-Drucker hergestellt werden; 
• Im availability sollte Platz für mechanische und elektronische Komponenten sein;  Diese „Körper“-Teile werden üblicherweise mit 3D-Modellierungssoftware entworfen; 
• Die Bewegungen werden durch kleine Motoren („Muskeln“) realisiert, die an den entsprechenden vet der gebauten Hand befestigte Schnüre/Leinen („Sehnen“) ziehen; 
• Die Motoren werden von einem Softwareprogramm gesteuert, das auf dem Mikrocontroller läuft.

^{Abbildung 2. Roboter-Humanoid}

Um das Verständnis zu vertiefen, können Schüler Augmented Reality (AR) nutzen, um die innere both einer bionischen Hand zu erforschen. Durch AR-Modelle können Schüler visualisieren, wie Motoren, Sehnen und Sensoren zusammenarbeiten, um menschliche Handbewegungen nachzuahmen.

• Die Bewegungen können durch elektrische Impulse ausgelöst werden, die im menschlichen Körper vorhanden sind – diese Impulse werden erkannt und an den Mikrocontroller weitergeleitet.

^{Abbildung 3. Hauptteile und Komponenten einer bionischen Hand}

Die folgenden Themen werden uns helfen, besser zu verstehen, wie diese Schritte umgesetzt werden und sie sogar selbst auszuprobieren.

Modellierung und Design

Zunächst werden wir uns auf einfachere Bewegungen beschränken – nur eine Rotation zwischen zwei benachbarten Fingergliedern. Es sollte genügend Platz ohne Hindernisse für das Bewegen von Schnüren im Inneren des Körpers vorhanden sein und die Möglichkeit bestehen, diese (alle inneren Teile) bequem zu installieren. Daher wird erwartet, dass „ein Körperteil“ aus zwei Teilen besteht, die Achslöcher und Raumverschiebungen für das Verbinden verschiedener „Körperteile“ miteinander haben.

Die Ausgangsform für das Modellieren von Fingern sind halbierte Zylinder. Wir benötigen Teile, die sich teilweise überlappen, um sie miteinander zu fixieren oder eine rotierende Verbindung herzustellen.

^{Abbildung 4. Zusammensetzung eines Fingers}

Der Raum im Inneren der Finger reicht nicht aus, um Motoren darin unterzubringen (oder solche Mikromotoren könnten zu teuer sein), daher werden die Fingerglieder durch das Ziehen von Schnüren bewegt, und die Motoren werden üblicherweise im Handgelenk oder im Armteil einer bionischen Hand platziert.

^{Abbildung 5. Getrennte Teile eines Fingers}

Also müssen wir zunächst alle notwendigen Teile einer bionischen Hand herstellen. Dafür ist der erste Schritt, Modelle dieser Teile zu erstellen. Anschließend werden die erhaltenen Modelle verwendet, um Anweisungsdateien für 3D-Drucker zu generieren, die uns beim Herstellungsprozess helfen.

3D-Druck

Im Allgemeinen ermöglicht die 3D-Drucktechnologie die Herstellung eines Objekts in nahezu jeder Form. Die Technologie entwickelte sich aus dem Tintenstrahldruck: Geschmolzenes Plastik (anstelle von Tinte) wird Schicht für Schicht gemäß der Anweisungsdatei aufgetragen und wird bei Raumtemperatur fest. Neben der genannten Methode des 3D-Drucks gibt es mehrere andere Technologien, die es Kunden ermöglichen, Teile aus verschiedenen Materialien wie Metall, Beton, Gummi usw. herzustellen.

Zum Beispiel wird bei einer speziellen 3D-Drucktechnik zur Herstellung von Metallteilen das Metallobjekt im Sandstaub erzeugt; das Metall wird durch einen Laser erhitzt und zu einem festen Objekt geschmolzen.

^{Abbildung 6. Die 3D-Drucktechnologie ermöglicht die Herstellung von Objekten in nahezu jeder Form}

„Muskeln“ ziehen an „Sehnen“

Die Bewegung einer Roboterhand ist der einer menschlichen Hand sehr ähnlich. Der Muskel zieht sich zusammen, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt¹. Er zieht Sehnen, die an einem angrenzenden Körperteil befestigt sind. Dieses dreht sich um ein Gelenk, das diese beiden Körperteile verbindet.

Im Fall eines Roboters sieht es ähnlich aus – ein Motor zieht eine Schnur. Um eine Gegenbewegung zu ermöglichen, können zwei Alternativen verwendet werden:

• Eine Feder, die ein Körperteil in die Ausgangsposition zurückdrückt;
• Ein Zwei-Schnur-System, das das Körperteil in beide Richtungen zieht.

In jedem Fall wird die Bewegung durch eine spezielle Art von Motoren, sogenannte Servomotoren (oder Servo-Aktuatoren), realisiert. Diese digitalen Geräte bewegen sich nur zu bestimmten Positionen und stoppen dort – im Gegensatz zu ständig rotierenden Motoren.

^{Abbildung 7. Mechanik, die einen Finger einer bionischen Hand bewegt}

¹ Die Muskelkontraktionen werden durch sehr kleine elektrische Impulse gesteuert, die mit speziellen Sensoren gemessen werden können. Diese Impulse kommen aus dem Gehirn und können verwendet werden, um eine bionische Hand zu steuern, die als Ersatz für eine bei einem Unfall verlorene Hand angebracht wird.

Programmierung und Steuerung der Bewegung

Die Zielposition für die Motoren einer bionischen Hand wird von einem Mikrocontroller festgelegt – einem kleinen „Computer“ mit einer Software im Inneren.

Es gibt mehrere wichtige Aspekte, wie die Software die Bewegung steuert:

• Das Programm wird nahezu endlos wiederholt (z. B. bis eine spezielle Bedingung erfüllt ist oder die Stromversorgung abgeschaltet wird);
• Das Programm überprüft den Mio-Sensor (einen Muskelsensor), um zu wissen, wann die Schnur gezogen werden soll (und welche);
• Wenn wir im Voraus wissen, welchen Gegenstand wir mit unserer bionischen Hand greifen möchten, können wir den Motor über die Zielposition informieren;

^{Abbildung 8. Bionische Hand hält einen Gegenstand}

• In den meisten Fällen ist die Form eines Gegenstands nicht bekannt, daher benötigen wir einen weiteren Sensor am Ende eines Fingers, um die Kraft zu überprüfen und den Gegenstand in unserer bionischen Hand nicht zu zerquetschen.

^{Abbildung 9. Kraftsensoren am Ende der Finger platziert}