Der humanoide Roboter NEO erhält "geschickte Hände": Wie Hände zur API für die physische Welt werden?

Quelle: 1X Technologies

Redaktion: Felix, PANews

Am 10. Juli hat das humanoide Roboterunternehmen 1X Technologies die nächste Generation des NEO humanoiden Roboters mit einem sehnengesteuerten Greifarm vorgestellt, der über 25 Freiheitsgrade (DOF) verfügt und eine Geschicklichkeit, Kraft, Sicherheit und Zuverlässigkeit erreicht, die nahezu auf menschlichem Niveau liegen.

Dieser Artikel basiert auf den offiziellen Informationen von 1X Technologies und gibt Ihnen einen Überblick über die Details dieses Greifarms.

Der Greifarm soll die Hardwarefähigkeiten humanoider Roboter überwinden und sicherstellen, dass Daten das einzige Hindernis für die Verbesserung der Roboterleistung sind. Durch das Erreichen oder sogar Übertreffen der menschlichen Leistungsfähigkeit in entscheidenden Dimensionen wird sichergestellt, dass KI-Modelle nicht mehr durch Geschicklichkeit eingeschränkt sind. Der NEO-Roboter kann jetzt nahezu jede Aufgabe ausführen, die von menschlichen Händen erledigt werden kann, und bietet die erforderliche Präzision, Anpassungsfähigkeit und Sanftheit in realen Umgebungen.

Der humanoide Roboter ist ein Computer, dessen Hände als API fungieren.

Das Modell, der Wahrnehmungsstapel und die Beine bestimmen, in welchem Maße der Roboter mit der Welt interagiert. Die Hände hingegen bestimmen, was er tun kann, was er wahrnehmen kann und was Entwickler, die auf dieser Basis arbeiten, tun können. Ein humanoider Roboter mit einer zweifingerigen Greifzange zeigt den Entwicklern nur drei Aktionen: Greifen, Ablegen und Schieben. Jede Anwendung, die auf dieser Plattform geschrieben wird, ist eine Kombination dieser drei Aktionen. Die Grenzen der Fähigkeiten liegen nicht in der Software, sondern am Ende der Arme.

Die Welt durch Fingerspitzen erleben

Wenn man beobachtet, wie eine Person einem unbekannten Objekt gegenübersteht, stellt man fest, dass sie es drückt, um die Härte zu fühlen, mit den Fingerspitzen darüber gleitet, um die Textur zu erfassen, sein Gewicht abwägt, seine Konturen nachzeichnet, um die Form zu beurteilen, und es zusammendrückt und loslässt, um seine Elastizität zu spüren. Der Tastsinn überträgt Informationen nicht passiv wie eine Kamera; er ist ein Experiment. Die Hände stellen Fragen mit Kraft und empfangen Antworten durch die Gelenke, die diese Fragen stellen. So verstehen Menschen Objekte, und so lernen sie ursprünglich zu handeln: von der Kindheit an durch Millionen von Erkundungen.

Das bedeutet, dass die Hände nicht einfach die Aktuatoren am Ende eines Wahrnehmungssystems sind, sondern selbst ein Wahrnehmungssystem, ein Werkzeug. Die Qualität dieses Werkzeugs wird durch das gesamte System bestimmt. Fragen zu stellen erfordert präzise Kraftkontrolle. Antworten zu lesen erfordert Rückkopplung und Transparenz der Kräfte, damit das Feedback über den Übertragungsmechanismus zurückfließen kann, anstatt in der Antriebseinheit stecken zu bleiben. Fragen zu stellen erfordert Freiheitsgrade und Präzision. Um Feinheiten zu spüren, benötigt man Haut. Schnelles Erfassen von Antworten erfordert Bandbreite. Und Millionen von Erkundungen erfordern Robustheit, denn Erkundung bedeutet Kontakt, und Kontakt führt zwangsläufig zu Abnutzung.

Gelenke selbst sind Sensoren

Die meisten Roboterhände sind nur Lesegeräte. Sie erhalten einen Positionsbefehl, und die Hand bewegt sich dorthin, gibt jedoch keine bedeutungsvollen Informationen zurück. Der Grund dafür liegt in der Antriebseinheit: Bei den üblichen Übersetzungsverhältnissen von 100:1 und 200:1 wird die Reibung die Kontaktkraft absorbieren, bevor sie den Motor erreicht. Da die Gelenke der Hände selbst kein Gefühl haben, müssen die Designer externe Sensoren anbringen und ableiten, was an den Fingerspitzen geschieht, als würde man mit einer Kamera eine gefühllose Hand filmen.

Die Hände des NEO sind lesbar und beschreibbar. Sie wurden von einem erstklassigen Ingenieurteam von Grund auf neu entwickelt und arbeiten mit den 1X-Sehnengreifern, die mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 5:1 bis 15:1 betrieben werden. Alle 25 Freiheitsgrade (22 vollständig angetriebene Freiheitsgrade der Finger und Handfläche sowie 3 Freiheitsgrade des Handgelenks) verfügen über native Kraftkontrollfunktionen und können vollständig rückwärts betrieben werden. Wenn man die Finger drückt, reagiert die Hand und berichtet genau über die Größe der aufgebrachten Kraft. Die Kraft fließt nach außen, die Informationen fließen auf demselben physischen Weg nach innen. Dies ist die Transparenz der Kraft, die den Druck in Messwerte umwandelt.

Es gibt auch einen subtileren Mechanismus, der parallel dazu funktioniert: die Propriozeption. Da jedes Gelenk geschlossen ist, kann die Hand ihren eigenen Zustand immer wahrnehmen, selbst ohne hinzusehen, so wie man die Fingerspitzen berühren kann, auch wenn die Augen geschlossen sind. Haltung und Kraft werden immer über dieselben 25 Gelenke realisiert.

25 Arten, Fragen zu stellen

Was können 25 kraftempfindliche Freiheitsgrade tatsächlich bewirken? Nicht für die Gelenke selbst, sondern für eine Reihe von Greifbewegungen und Fragestellungen. Die Verteilung der Freiheitsgrade ist wichtiger als deren Anzahl: Die Verteilung der Freiheitsgrade des NEO entspricht der menschlichen Anatomie und ist auf den Daumen ausgerichtet, der tatsächlich Widerstand leisten kann. Diese Architektur zielt darauf ab, ein optimales Gleichgewicht zwischen den Fähigkeiten des Roboters und der tatsächlichen Herstellung, Kontrolle und Wartung zu erreichen.

Diese neuen Greifarme können in der präzisen Handhabung menschliche Fähigkeiten erreichen oder sogar übertreffen. NEO kann LEGO-Steine zusammensetzen, Schrauben und Münzen aus einer Geldbörse entnehmen, Glühbirnen drehen und installieren, Schraubendreher verwenden, Objekte in der Hand drehen, einen Reißverschluss an einer Jacke ziehen, Trauben nach Farbe sortieren, Tee aus einer Kanne gießen, einen Softball fangen, einen USB-C-Ladegerät einstecken, ein Weinglas anheben, Oberflächen mit einem Tuch und Spray abwischen, in Gebärdensprache kommunizieren und vieles mehr.

Diese mechanischen Hände mit 25 Freiheitsgraden haben die IP68-Wasserdichtigkeit und die Lebensmittelstandards, sodass NEO sich wie ein Mensch die Hände waschen kann. Das Spitzenmoment des Daumen-Handgelenks kann bis zu 3,5 Nm betragen, das Spitzenmoment des Fingergrundgelenks kann bis zu 2,6 Nm betragen, und die maximale Beugungskraft an der distalsten Stelle kann bis zu 45 N betragen. Das Handgelenk kann ein Moment von bis zu 17,75 Nm erreichen. Dies ermöglicht es dem Greifarm, vollständige Handgreifbewegungen, Werkzeugnutzung, Anheben und Transportieren, Türen zu öffnen, beladene Wagen zu schieben und präzise Greifbewegungen unter Last durchzuführen, während die vollständige Flexibilität erhalten bleibt. Mit einer Positioniergenauigkeit von ±0,2 mm können sie in kleinem Maßstab arbeiten (und Objekte wahrnehmen).

Der letzte halbe Millimeter

Haut erhöht die Informationskanäle. Taktile Daten sind ein Bild. Sie haben einen dynamischen Bereich, eine Auflösung, Kanäle und ein Sichtfeld. Die Hände sind an den Fingerspitzen und Oberflächen mit reichhaltigen, hochauflösenden taktilen Sensoren ausgestattet, die Normalkräfte, Kontaktpositionen und Scherkräfte messen können. Dies ermöglicht es NEO, zu erkennen, wann Objekte zu gleiten beginnen, und in Echtzeit zu reagieren. Die Visualisierung zeigt die Normalkraftvektoren der Kontaktfläche, die Druckwärmekarten beim Händedruck und die feine Greifbewegung zerbrechlicher Origami, ohne Schäden zu verursachen.

Das Design der Haut arbeitet in Zusammenarbeit mit den internen Sensoren und den dahinterliegenden Sehnen. Es ist ein funktionales Material und kein dekoratives Material. Da visuelle Informationen oft nicht ausreichen, um viele Aufgaben zu erfüllen (insbesondere beim Umgang mit kleinen, transparenten, verformbaren oder verdeckten Objekten), ist dieses taktile Feedback entscheidend für adaptive intelligente Operationen.

Darüber hinaus sind diese Greifarme für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und können auch nach Millionen von Interaktionszyklen ihre Leistung aufrechterhalten. Zuverlässigkeit zieht sich durch das Design jedes Subsystems und jeder Komponente: Sehnengestaltung, Lager, Fingerstruktur, Kabelverlegung, taktile Integration, elektronische Komponenten und Montageprozesse. Komponenten und vollständige Fingerkomponenten haben Millionen von Testzyklen durchlaufen, und die Antriebseinheiten wurden unter extremen Temperaturen getestet, während die Handgelenke unter hoher Last über 2 Millionen Zyklen auf ihre Zuverlässigkeit geprüft wurden.

Die gesamte Hand erfüllt den IP68-Standard, was die Sicherheit weiter gewährleistet: Ein sehr niedriges Übersetzungsverhältnis, kombiniert mit sehnengesteuerten Antrieben und niedriger distal-inertialer Masse, ermöglicht es, die Finger auch bei externen Stößen sicher rückwärts zu betreiben. Zeitlupenaufnahmen zeigen, dass die Hand auf Schläge, Hämmer, Einklemmen in geschlossenen Schubladen oder Stöße gegen Schaumstoff reagiert.

Die Hardware dahinter

Die Leistung der API hängt von ihrer physischen Schicht ab. Die Motoren befinden sich im Unterarm, wo sich der Großteil der menschlichen Greifkraft befindet, und werden über spezielle Sehnen am Handgelenk betrieben. So kann die leichte Hand bei ausreichend niedrigen Temperaturen eine so starke Kraft erzeugen, die einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.

Der Greifarm integriert selbstentwickelte Motoren, maßgeschneiderte elektronische Komponenten, eingebettete Sensoren, spezielle Sehnensysteme, kompakte Antriebseinheiten und spezifische Firmware für die Hand. Diese tiefe vertikale Integration ermöglicht schnelle Iterationen und kumulative Verbesserungen. Jedes Gerät wird intern von den Sehnenmaterialien und 1X-Motoren bis hin zu den endgültigen weichen Polymeren, der Haut und den taktilen Sensoren hergestellt. In diesem Jahr können 10.000 Greifarme produziert werden.

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