Drei Schüler entwickeln eine anthropomorphen Roboterhand

Kommerziell erhältliche mechanische Prothesen für die oberen Gliedmaße kosten heutzutage 50‘000 € aufwärts und somit können bei weitem nicht alle Menschen, welche eine solche benötigen würden, darauf zugriefen. Unser Team, bestehend aus Joé Hoffmann, Ben Weber und Patrick Lux, drei Schülern aus dem Athénée de Luxembourg, hat sich zum Ziel gesetzt eine solche Roboterhand mit einem weitaus kleineren Budget zu entwerfen. 

Im November 2012 wurde unser Interesse am Concours des Jeunes Scientifiques Luxembourg geweckt und schnell stand fest, dass wir, aufgrund des vorhandenen Interesses im Bereich der Wissenschaft und Technik, an diesem Wettbewerb teilnehmen wollen. Als wir dann auf ein Youtube Video gestoßen sind, welches die Geschichte eines Jungen erzählte, der die Hilfe eines großen Konzernes benötigte um die finanziellen Mittel für die erforderliche Prothese zu bekommen war die Idee zum Projekt geboren.

Jedem ist klar, dass die menschliche Hand eine sehr komplexe Anatomie aufweist. Die Grundlage für unser Projekt war die Imitation der menschlichen Bewegung mit mechanischen Mitteln: der Finger wird durch die Rotation der einzelen Gelenke um ihre Verbindungsaxen gebogen. Im Dezember 2012 begannen wir dann zuhause in der Garage, mit der Fertigung der ersten Fingergelenke aus Holz, und gingen dann später zur Fertigung der Teile aus 3D-Druckplastik über. Diese Fertigunsgweise beinhaltete mehrere Vorteile: die Teile sind leicht aber gleichzeitig relativ starr, und die Teile konnten am Computer mit CAD-Software entwickelt werden und exakt hergestellt werden.

Prototypen könnte Anwendungen im industriellen Bereich finden

Für den ersten Prototypen wurden nur drei Finger hergestellt, da diese im alltäglichen Leben ausreichen. Neben Zeige- und Mittelfinger wurde ein umklappbarer Daumen, welcher einen weiteren Motor benötigt, installiert. Diese zusätzliche Bewegung des Daumens, Unterschied zweischen Menschen und Affen, ist ein wichtiger Bestandteil der Funtionalität der Hand. Die Bewegung der Finger wird durch Servomotoren aus dem Modellbaubereich erreicht, welche mithilfe eines Fadens an den Fingerspitzen befestigt wurden. Eine große Kosteneinsparung konnte erreicht werden, indem durch das Einsetzen von Torsionsfedern in jedes Gelenk, nur ein Motor für jeweils einen ganzen Finger benötigt wurde. Die Federkonfiguration verhindert das Aufrollen des Fingers, wenn eine Zugkraft auf die Fingerspitze ausgeübt wird und erleichtert gleichzeitig das Zurückklappen der einzelnen Finger in ihre Ausgangsposition. Die Steuerung erfolgte beim ersten Prototypen durch einen Sensorhandschuh, welcher die Bewegungen einer Person direkt auf die Roboterhand überträgt. Da die Sensoren jedoch eine präzise Steuerung der einzelnen Motoren unmöglich machten, wurde eine numerische Steuerung hinzugefügt, welche auch für den zweiten Prototypen zurückbehalten wurde. Beide Prototypen wurden mit der Absicht entworfen die Funktionalität der Roboterhand zu erforschen, somit sind noch keine Maßnahmen zur Kontrolle durch Impulse eines geschädigten Menschen erforscht worden. Infolgedessen, könnte die jetztige Robotherhand auch noch Anwendungen im industriellen Bereich finden.

Projekt der drei Schüler wird auf wissenschaftliche Wettbewerbe in Luxemburg und im Ausland belohnt

Im März 2013 war es dann soweit, wir hatten unsere wissenschaftliche Arbeit beim Wettbewrb eingereicht und stellten unser Projekt, in der Halle Victor Hugo, der Jury sowie dem Publikum vor. In diesem Wettbewerb wurde uns die Ehre zuteil mit zwei Preisen belohnt zu werden. Somit erhielten wir im Mai die Gelegenheit an der Intel International Science and Engineering Fair, in Phoenix (AZ, USA) teilzunehmen und dort neben 1500 anderen Jugendlichen aus aller Welt unser Projekt einer internationalen Jury zu präsentieren und weltweite Freundschaften zu knüpfen.

In den Sommerferien hatten wir dann die nötige Zeit einen zweiten Prototypen unseres Systems anzufertigen, welcher neben einer Erweiterung auf fünf Finger, auch eine Vorarm Struktur enthält in welcher die gesamte Elektronik sowie Motoren untergebracht sind. Desweiteren wurden die Motoren für die Fingerbewegung in die Handfläche verlegt um die Bewegungen des Handgelenkes zu ermöglichen. Für das Handgelenk wurden Handfläche und Finger an einer Scheibe befestigt welche in einer Konstellation aus 8 Federn aufgehägt wurden und mit 2 Motoren in jede beliebige Position gekippt werden kann.
Dieser zweiter Prototyp wurde dann zum ersten Mal im September in Prag, beim European Union Contest for Young Scientists vorgestellt. In diesem Wettbewerb durften wir Luxembourg zusammen mit einer anderen Gruppe von 3 Schülern vertreten. Auch in Prag stellten wir unser Projekt einer Jury froh und konnten es kaum fassen, als uns der Preis für Originalität des Europäischen Patentamtes verliehen wurde. Durch diese Anerkennung für unser Projekt zusätzlich motiviert, starten wir zur Zeit die Planung eines dritten Prototypen.

Abschließend können wir jeden wissenschaftsorientierten jungen Luxemburger nur ermutigen am Concours Jeunes Scientifiques teilzunehmen, um auch an diesen außerordentlichen Erfahrungen auf nationaler und internationaler Ebene teilhaben zu können.

Autor: Patrick Lux