Mathematik-Software
Rechnen für Arme
Prothesen und Hilfsroboter werden immer ausgefeilter, doch die Steuerung stellt eine große Herausforderung dar. Um die komplizierten Algorithmen in den Griff zu bekommen, kann Mathematik-Software ihre Stärken ausspielen.
Speziell für die persönliche Assistenz und Unterstützung von Menschen mit eingeschränkter Beweglichkeit des Oberkörpers ist der Roboterarm »Jaco« von Kinova Robotics gedacht. Er ermöglicht es, tägliche Routineaufgaben unabhängig und sicher auszuführen. Die Ingenieure bei Kinova haben »Maple« von Maplesoft dazu eingesetzt, die komplizierten Matrizengleichungen, die den komplexen Algorithmen zur Steuerung des Roboterarms zugrundeliegen, abzuleiten und zu bearbeiten, um die Funktion des Arms zu verbessern.
Der Arm verfügt über sechs miteinander verbundene Segmente, wobei das letzte eine Hand mit drei Fingern ist, und arbeitet mit sechs Freiheitsgraden. Mit seinem Aktionsradius von 90 cm kann Jaco an einem motorisierten Rollstuhl oder auf einem festen Sockel montiert werden. Der Anwender kann die Roboterhand mit einem Joystick im dreidimensionalen Raum bewegen, um Gegenstände zu greifen und zu bewegen und so Routineaufgaben auszuführen.
Das Kinova-Team für Roboter-Algorithmen und -steuerung stand bei der Entwicklung der Steuerung für den Arm vor einer großen Herausforderung. Um den Roboterarm sicher zu bedienen, mussten komplexe Algorithmen mit großen Matrizengleichungen entwickelt werden, um die Kinematik und die vom Arm ausgeübten Kräfte zu berechnen. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass diese Berechnungen auf einem Mikrocontroller in sehr kurzen Zeitabständen fortlaufend wiederholt werden müssen. Daher müssen die Algorithmen ständig aktualisiert werden, was zu einer sehr großen Matrix gleichzeitig zu berechnender trigonometrischer Gleichungen führt.
Die Maple-Rechenengine ermöglicht es, komplexe mathematische Probleme zu beschreiben, zu visualisieren und zu lösen: »Wir brauchten eine Software, die anerkannt robust und in der Lage ist, große Gleichungen und Matrixberechnungen vorzunehmen und symbolische Lösungen zu liefern.“, erklärte Dr. Alexandre Lecours, Projektmanager im Team für Roboter-Algorithmen und -steuerung. Mit Maple konnte das Team das Problem definieren und ein Programm zu seiner Lösung erstellen.
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