Einsatz der Hände

Hajian und Howe (1996) befassen sich näher mit verschiedenen Aspekten des Einsatzes der Hände bei der Manipulation von Objekten. Sie nennen zuerst einige Besonderheiten der Hände:

• Der Aufbau der Hände ist sehr komplex (viele Gelenke und Muskeln, die teilweise außerhalb der Hand, im Unterarm, untergebracht sind);
• 20 Freiheitsgrade bei der Bewegung (bei jedem Finger vier);
• ein sehr großer Bereich an unterschiedlichen Kräften (einige Milligramm bis mehrere Kilogramm können bewegt werden);
• eine sehr hohe Dichte an Mechanorezeptoren, nämlich ca. 17000 in jeder Hand;
• die Hände besitzen eigene Reflexe (wenn ein festgehaltenes Objekt zu Rutschen beginnt, wird die Greifkraft erhöht);
• die Finger können parallel eingesetzt werden;
• beim Greifen von Objekten werden einander entgegengerichtete Kräfte ausgeübt.

Hajian und Howe (1996) untersuchen außerdem verschiedene Phasen der Interaktion zwischen den Fingern und einem Objekt:

Kontaktphase: Aufgrund der hohen Rezeptordichte in den Fingerspitzen läßt sich der Ort einer Berührung sehr genau spezifizieren. Bereits 200 Millisekunden nach dem Kontakt mit einem Objekt sind bereits Informationen über die Haftreibung von dessen Oberfläche verfügbar.

In dieser Phase spielt auch die passive Mechanik der Hautoberfläche eine große Rolle (siehe hierzu auch Abschnitt 6.4): Leichte Berührungen führen zu einer Verformung der Haut, je größer die Kräfte werden, desto höher wird aber die Steifigkeit des Finger-Systems.

Ergreifen: Zum Ergreifen eines Objektes ist eine spezielle Konfiguration der Finger erforderlich. Welche Variante dabei im Einzelfall gewählt wird, hängt hauptsächlich von der beabsichtigten Verwendung des Objekts ab. Hajian und Howe (1996) unterscheiden in diesem Zusammenhang power grasps (Ziel sind Stabilität, Sicherheit und hohe Kräfte; Umschließen mit der ganzen Hand) und precision grasps (Ziel sind Empfindlichkeit und Geschicklichkeit; Ergreifen mit den Fingerspitzen).

Bei vielen Aufgaben wird auch die Komplementarität von Armen und Händen genutzt: Die Hände sorgen für die erforderliche Steifigkeit und präzise Mobilität in die gewünschte Richtung, während die Arme dazu eingesetzt werden, die Hände in eine möglichst günstige Position zu bringen.

Manipulieren: Bei Aufgaben, bei denen die Hände das Objekt kräftig ergreifen müssen, unterstützen die Arme oft die Manipulation, während beim Ergreifen mit den Fingerspitzen die Objekte zwischen den Fingern gerollt werden können und Finger an ihnen entlangtasten können. Die mechanischen Interaktionen im Bereich der Fingerspitzen können das Verhalten des Hand-Objekt-Systems deutlich bestimmen. Hajian und Howe (1996) berichten auch, daß die empirisch gemessenen Haltekräfte immer nur sehr knapp über den zur Vermeidung von Abrutschen mindestens erforderlichen Kräften liegen.

Mechanischer Widerstand: Der mechanische Widerstand wird häufig zur Charakterisierung der Interaktion zwischen Körpergliedern und von außen einwirkenden Kräften und Bewegungen verwendet. Hajian und Howe (1996) untersuchen diesen Zusammenhang am Beispiel eines Doppelschlages beim Trommeln: Geübte Schlagzeuger nutzen den Rückschlag nach dem Auftreffen des Schlegels, um sehr schnell einen zweiten Schlag plazieren zu können; auf diese Weise können sehr schnelle Trommelwirbel zustande kommen. Die Frequenz dieser Wirbel kann über die Steifigkeit des Finger-Drumstick-Systems (also die Kraft, mit der der Drumstick festgehalten wird) reguliert werden.

Einsatz von visueller und haptischer Information

Son, Howe, Wang und Hager (1996) untersuchen das Zusammenspiel von visueller und haptischer Information beim Ergreifen von Objekten und implementieren ein entsprechendes Beispiel in einem Robotersystem.

Man kann Sehen und Berühren als komplementäre Mechanismen betrachten: Der Gesichtssinn übermittelt Informationen aus der Ferne, während der Berührungssinn geometrische Informationen in kleinerem Maßstab und Information über Kräfte liefert. Durch das Sehen können Objekte rasch lokalisiert und identifiziert werden, so daß schnell und gezielt mit ihnen Kontakt aufgenommen werden kann. Berührungen ermöglichen dagegen genaue Informationen über den Ort und die Beschaffenheit der Oberfläche eines Objektes, so daß anschließende Greifbewegungen optimal angesetzt werden können.

Zur Bearbeitung komplizierterer Aufgaben empfiehlt sich deshalb eine Kombination der beiden Modalitäten: Der Gesichtssinn kann Entfernungen, Richtungen und Bewegungen wahrnehmen, während durch taktile Sensoren lokale geometrische Eigenschaften und Druck gemessen werden können. In bestimmten Situationen läßt sich durch die Kombination der beiden Modalitäten auch eine höhere räumliche Auflösung erzielen.

Son et al. (1996) demonstrieren an einem Robotersystem, daß sich durch Kombination von visueller Information (über zwei Videokameras) und haptischer Information (über ein druckempfindliches Array) zielgerichtete Greifbewegungen durchführen lassen. Dabei wird der Greifarm des Roboters zuerst durch visuelle Information in die unmittelbare Nähe des Gegenstandes gebracht, anschließend wird der Gegenstand über haptische Informationen ergriffen.

Die Autoren führen dabei visuelle Primitive (aus den Abweichungen des tatsächlichen Bildes vom gewünschten berechnet) und taktile Primitive ein. Letztere lassen sich entweder aufgaben-bezogen (Kontaktierungs-Primitive, Reorientierungs-Primitive, Mit-Zwei-Fingern-Greif-Primitive, Festeres-Ergreifen-Primitive) oder auf den sensorischen Raum bezogen (zusätzlich Feedback-Primitive) definieren.

Last modified 10-29-98