Bildverarbeitung in komplexer Grundlagenforschung Ultra Highspeed-Kamera analysiert exakt bionische Technik

Von Kamillo Weiß*

Um Zukunftsvisionen wie humanoide Roboter mit künstlichen Gelenken und Muskeln zu realisieren, bedarf es komplexer Grundlagenforschung. Der hat sich das Max-Plank-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart verschrieben. Für die präzise Betrachtung und vielseitige Analyse hilft eine Ultra Highspeed-Kamera.

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Dieser einfach aufgebaute dreiarmige elektrohydraulische Greifer kann leichte Objekte schnell und sicher greifen.
Dieser einfach aufgebaute dreiarmige elektrohydraulische Greifer kann leichte Objekte schnell und sicher greifen.
(Bild: N. Kellaris et al., Adv. Sci. 8, 2100916 (2021))

Um bionischen Gelenken Leben einzuhauchen, werden kleine, mit Flüssigkeit (zum Beispiel Pflanzenöl) gefüllte Kunststoffbeutel, elektrostatisch in Bewegung versetzt. Die Stärke und Form der angelegten elektrischen Spannungen bestimmen die Stärke, Art und Form der Bewegung, um beispielsweise den komplexen mechanischen Vorgang einer menschlichen Hand nachzuahmen. Mehrere Gelenke in beliebigen geometrischen Formen können hintereinander ähnlich einem Finger angeordnet werden. Schließlich ist es ein gewaltiger Unterschied, ein rohes Ei oder ein mehrere Kilogramm schweres Objekt zu bewegen.

Grundlagenforschung der komplexen bionischen Vorgänge

Die Regelung der angelegten variablen elektrischen Spannung am Aktuator/Gelenk kann in seiner ganzen Vielfalt von Rechtecks-, Dreiecks-, Sinus- und Linearspannung erfolgen. Die zeitlich abhängige Deformation der Beutel lässt sich damit präzise regeln. Mit dieser Bionik erfolgt die Nachahmung der Bewegungen von Insektenbeinen (wie Spinnen) in Geschwindigkeit, Kraft und bidirektionalen Bewegungen. Noch bedeutender ist die Nachbildung von menschlichen Extremitäten (Finger, Hände, Arme, Beine).

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Am Max-Plank-Institut für intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart wird seit über einem Jahr am Verstehen dieser vielschichtigen komplexen bionischen Vorgänge in seinen Grundlagen geforscht. Die Forschungsarbeiten sind inzwischen auch unter dem Titel der sogenannten SES-Gelenke (Spider-inspired Electrohydraulic Soft-actuated joints) bekannt geworden.

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Eindeutige Analysen mit Ultra Highspeed

Mit neuester CMOS Sensor-Technologie liefert die Phantom v2640 Kamera von der High Speed Vision GmbH die erforderlichen Ultra Highspeed-Bildsequenzen (U-HS) für die genauen Bewegungsanalysen. Damit können quantitativ und qualitativ die Beschleunigung, Geschwindigkeit und das Bewegungsverhalten eines Gelenkarmes – extrem zeitgedehnt mit hoher Bildauflösung – genau verfolgt werden.

Mit der gleichzeitigen Verfolgung der geometrischen Verformung dieser Aktuatoren, einschließlich dem darin erfolgenden Fließen der Flüssigkeit (Strömungsverhalten), werden weitere wichtige Aspekte und Funktionsfaktoren analysiert.

Die Ultra Highspeed (HS) Videosequenzen ermöglichen eine detaillierte Bild zu Bild Analyse bei Dehnungsraten bis zu 7.000 %/s und Arbeitsbereiche über 100.000 Bilder/s, welches einer Schrittweite von 0,01 ms entspricht. Diese werden zeitsynchron zu anderen Messdaten erfasst.

Logische Vorgänge im Millisekundenbereich werden exakt und komplett aufgezeichnet, um daraus präzise Aussagen zu extrahieren. Orientierungsgröße ist beispielsweise ein Beutel von 1 cm Länge, der mit 0,1 ms bei echter Full-HD Auflösung und 10.000 Bilder/s aufgenommen wird. Das ermöglicht es, Bewegungsdifferenzen im Bereich von 0,001 mm zu erfassen.

Ultra HS-Video erschließt vielseitige Präzision

Im Laufe der Versuche ergeben sich ständig weiterführende Fragen. Daraus folgend ständig neue Anforderungen in der Grundlagenforschung der SES-Gelenke, die es zu untersuchen gilt. Die Verwendung von Lasern gestatten nur punktuelle Messungen. Aufnahmen mit Ultra Highspeed-Video ermöglichen immer die Verfolgung der gesamten Aktuator-Geometrie mit einer großen Bandbreite von präzisen Informationen, sowohl quantitativ als auch qualitativ.

Gleichzeitig mit der Beutelverformung und Gelenkbewegung können beispielsweise auch winzige Luftblasen in der Flüssigkeit verfolgt werden. Das liefert wichtige Hinweise auf das Strömungsverhalten der Flüssigkeit im Beutel, entsprechend der jeweils angelegten Spannung. Von Vorteil ist hier eine hohe Bildauflösung bei gleichzeitig sehr hohen Bildraten.

Entsprechend den Anforderungen und vorausschauend auf die Anwendung weiterer Funktionen entschied man sich am MPI-IS für die Anschaffung der Phantom v2640. Das Unternehmen stand beratend mit seinem umfangreichen Know-how zur Verfügung.

Leistungsstarke Kamera

Diese Kamera ist die, nach eigenen Angaben, weltweit schnellste 4-Megapixel-Kamera mit einer maximalen Auflösung von 2048 x 1952 Pixel, bei einer Framerate von 6.600 Bilder/s und 12-bit Bildauflösung. In reduzierter Auflösung 300.000 Bilder/s und minimaler Belichtungszeit von 142 ns. Im Binned-Mode (2 x 2 Pixel) wird die Lichtempfindlichkeit von Mono 16.000 ISO bis auf 25.000 ISO gesteigert.

Die hohe Lichtempfindlichkeit ermöglicht Aufnahmen bei Tageslicht. Das erleichtert die Handhabung und vereinfacht den Versuchsaufbau. Es ist keine aufwändige Zusatzbeleuchtung erforderlich, deren eventuelle Einflüsse (Wärmeeintrag) den Versuch beeinträchtigen könnte. Die hohe Lichtempfindlichkeit bietet auch noch den Vorteil, die Blende der Objektive weitgehend zu schließen, um den Tiefenschärfebereich zu verbessern.

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Zu den weiteren Leistungsdaten gehört die extrem schnelle interne Abtastrate von 26 Gpx/s. Ein Ringspeicher lässt sich bis 288 GB aufrüsten. Über die 10 GB Ethernet Schnittstelle steht eine hohe Download-Geschwindigkeit zur Datensicherung zur Verfügung. Alternativ steht der optionale Cinemag V Speicher mit bis zu 8 TB Volumen zur Auswahl, 288 GB Daten können hier in weniger als 5 Minuten runtergeladen werden. Die menügeführte Kamera-Bedienoberfläche bietet eine einfache Handhabung.

SES-Gelenke: kleine Details, große Wirkung

Es geht darum, die gesamte Dynamik in allen Aspekten mit hoher messtechnischer Auflösung präzise zu untersuchen. Die Kombination von unterschiedlicher elektronischer Messtechnik mit den einzelnen Bildern von HS-Video zeitlich exakt synchronisiert, qualifiziert die Aussagen von den jeweils erfassten Ereignissen.

Diese elektrohydraulischen „Muskeln“ sind vorteilhaft gegenüber dem Verhalten und der notwendigen Gestaltung von Elektromotorlösungen mit gleichen Aufgaben/Ergebnissen. Das ergibt für die SES-Gelenke eine hohe Sicherheit gegen Überlastung.

Durch die Hintereinanderschaltung von mehreren Gelenken und mehreren Fingern, kann man den Zugriff sensibel und vielseitig gestalten. Das erste Gelenk kraftvoll, letztes Gelenk sehr sanft. Das bezieht sich nicht nur auf die jeweils ausgeübte Kraft, sondern auch auf die Beschleunigung der Gelenkteile.

In einem zukünftigen Schritt mit einer weiteren Kamera will man sich auch den 3D Raum per Ultra HS-Video erschließen, mit hoher Zeit- und Bildauflösung für perfekte analytische Präzision.

Diese einfach zu steuernden Aktuatoren funktionieren auch unter Wasser. Die Flüssigkeit in den Beuteln ist kaum kompressibel und damit wird der gleiche sensible Zugriff erzielt wie an Land. Die Gelenke könnten aber auch zur Desinfektion problemlos in Alkohol getaucht werden.

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Bionische elektrohydraulische Aktuatoren haben Potenzial

Bionische elektrohydraulische Aktuatoren haben in der zukünftigen Soft-Robotik und anderen interagierenden Bereichen großes Potenzial in Gestaltung, Anwendung und Wirtschaftlichkeit. Die folgenden Attribute sind keine Übertreibungen, sondern eine kleine nüchterne Bestandsaufnahme der sich abzeichnenden Eigenschaften und Möglichkeiten von neuen Anwendungen: Die weich arbeitenden Gelenke sind einfach, leicht, flink, raumsparend, kostengünstig herstellbar, vielseitig gestaltbar von filigran bis robust, Synergie mehrteiliger Gelenke, minimaler mechanischer Aufwand, geringer Energieverbrauch, normale Kunststofffolien, hygienisch pflegeleicht, wasserfest, effizient feinfühlig oder auch stark in der Kraftübertragung, leicht skalierbare Produktion, und sie sind simpel digital steuerbar.

Die herausragenden Stärken und der internationale Erfolg der vielen MPI Fachrichtungen und Abteilungen liegen in der Arbeit reiner unabhängiger Grundlagenforschung. Es gibt keine Sponsoren, welche auf die Forschung Einfluss nehmen. Das ermöglicht eine große Freiheit in erfolgreicher Forschung.

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* Kamillo Weiß, Fachjournalist

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