Einen Freiheitsgrad reduzieren, Sharpa sichert sich das Definitionsrecht für geschickte Manipulationen

Sharpa hat bei seiner neuen Generation von geschickten Händen bewusst einen Freiheitsgrad entfernt.

Am 28. September veröffentlichte Sharpa auf der Internationalen Konferenz für Intelligente Roboter und Systeme (IROS) in Pittsburgh, USA, die neue Generation der geschickten Hand W02. Im Vergleich zum Vorgängermodell weist sie eine kompaktere Struktur und ein geringeres Gewicht auf, wobei die taktile Abdeckung von den Fingerspitzen auf die Finger und die Handfläche ausgeweitet wurde – die Anzahl der aktiven Freiheitsgrade wurde jedoch von 22 auf 21 reduziert.

Freiheitsgrade bestimmen, wie viele Bewegungen der Roboterarm unabhängig steuern kann, und gehören zu den intuitivsten Parametern, um die Fähigkeiten einer geschickten Hand zu verstehen. Für ein Unternehmen, das einst 22 aktive Freiheitsgrade in eine Struktur in menschlicher Handgröße integriert hat, ist diese Entscheidung sehr aufschlussreich.

Sharpa neue Generation der geschickten Hand W02

Zusammen mit der W02 wurden auch der allgemeine humanoide Roboter D01 und das Exoskelett-Datenhandschuh AE01 vorgestellt. Ersterer bietet die Bewegung des gesamten Geräts und taktile Wahrnehmung des Körpers, letzterer dient zur Fernsteuerung und Datenerfassung. In Kombination mit dem zuvor eingeführten Betriebsmodell CraftNet versucht Sharpa, das Design der Hand in den vollständigen Betriebsprozess einzubeziehen, der Wahrnehmung, Steuerung und Fähigkeitsentwicklung umfasst.

Was geht genau verloren, wenn ein Freiheitsgrad entfernt wird, und was kann dafür gewonnen werden? Dies muss anhand der Aufgaben beurteilt werden, die der Roboter ausführt.

01. Von 22 auf 21: Sharpa schreibt erneut die Bewertungsstandards für geschickte Hände um

Freiheitsgrade gehören zu den am häufigsten verglichenen Kennwerten für geschickte Hände. Mehr unabhängig steuerbare Bewegungsdimensionen bieten dem Roboterarm mehr Haltungs- und Aktionskombinationen, erhöhen aber auch die Komplexität von Struktur und Steuerung. Ob sie vollständig genutzt werden können, hängt von den Anforderungen der Aufgabe an die Hand ab.

Im Mai 2025 brachte Sharpa die erste Generation der geschickten Hand auf den Markt, die 22 aktive Freiheitsgrade, visuelle und taktile Wahrnehmung sowie die Konfiguration einer menschlichen Hand kombiniert. Dieses ursprünglich als Sharpa Wave bezeichnete und heute als W01 genannte Produkt fand später Eingang in die Roboter-Referenzlösungen führender Universitäten und von NVIDIA. Die Übernahme durch externe Entwickler führte dazu, dass die Produktauswahl von Sharpa zunehmend beeinflusste, wie andere Teams geschickte Handhabung realisieren.

Bei der zweiten Generation begann das Unternehmen, den Beitrag eines der Gelenke neu zu bewerten.

Der bei der W02 reduzierte Freiheitsgrad befindet sich am CMC-Gelenk (Karpometakarpalgelenk) der Basis des Kleinfingers. Aus früheren Anwendungsuntersuchungen von Sharpa geht hervor, dass dieser Freiheitsgrad bei gängigen Greifvorgängen und inneren Handoperationen selten verwendet wird – er besteht hauptsächlich in der Drehung des Kleinfingers um seine eigene Achse und leistet nur einen begrenzten Beitrag zu den meisten praktischen Aufgaben. Die Entfernung dieses Gelenks kann die Struktur der Kleinfingerbasis vereinfachen und potenzielle Ausfallpunkte reduzieren.

Diese Anpassung berücksichtigt vor allem das Gleichgewicht zwischen Stabilität und dem Design der gesamten Hand. Ob eine zusätzliche Bewegungsdimension die entsprechenden Kosten für Struktur, Gewicht und Steuerung wert ist, muss anhand der praktischen Nutzung beurteilt werden. Laut Sharpa hat die Anpassung der W02 auch Rückmeldungen aus Gesprächen mit zahlreichen Kunden berücksichtigt.

Sharpa neue Generation der geschickten Hand W02

„Selten verwendet“ ist immer an einen bestimmten Aufgabenbereich gebunden.

Aktionen, die bei gängigen Greifvorgängen selten vorkommen, können bei bestimmten speziellen Operationen nützlich sein. Um die Kosten der Entfernung zu beurteilen, müssen die Ausführung der beiden Generationen von Produkten bei derselben Aufgabe, die Fehlerursachen und die Leistung im Dauerbetrieb verglichen werden. Die Reduzierung eines potenziellen Ausfallpunkts ist eine Überlegung im Strukturdesign; wie stark sich die Stabilität der gesamten Hand verbessert, muss noch durch Testergebnisse nachgewiesen werden.

Gleichzeitig mit der Reduzierung der Freiheitsgrade ändern sich auch die Größe und die Wahrnehmungsfähigkeit. Nach Angaben des Unternehmens ist die Gesamtgröße der W02 im Vergleich zur W02 um etwa 30 % kleiner und leichter, was dazu beiträgt, die Belastung des Unterarms zu verringern. An den Fingerspitzen werden hochauflösende visuelle taktile Sensoren verwendet, während die Handfläche und andere Bereiche mit elektronischer Haut bedeckt sind.

Vergleich zwischen Sharpa geschickter Hand W01 und W02

Die Bedeutung der Größe wird im Handhabungsraum deutlicher sichtbar. Türgriffe, Besteck, Werkzeuge und zahlreiche Arbeitsabläufe sind an die Größe der menschlichen Hand angepasst. Eine zu große mechanische Struktur kann selbst bei größeren Bewegungsfähigkeiten Schwierigkeiten haben, in diese Umgebungen einzudringen.

Die Erweiterung der taktilen Abdeckung entspricht einem weiteren Problem: Die Kontaktstelle zwischen Objekt und Hand ändert sich mit der Bewegung. Beim Halten weicher Objekte muss der Druck anhand der Verformung angepasst werden; bei der Verwendung von Werkzeugen müssen die Fingerposition, der Kontaktzustand und die Bewegungsbahn berücksichtigt werden. Wo der Kontakt stattfindet und ob das Objekt rutscht, beeinflusst die nächste Aktion. Neu hinzugewonnene Wahrnehmungsinformationen können die Handhabung nur verbessern, wenn sie rechtzeitig in die Steuerung einbezogen werden.

Bei der Umstellung von 22 auf 21 Freiheitsgrade behält Sharpa die Bewegungsfähigkeit mit hohem Freiheitsgrad bei und legt gleichzeitig mehr Wert auf Stabilität, menschliche Handgröße und Kontaktwahrnehmung. Die Komplexität der mechanischen Struktur ist nicht gleichbedeutend mit der Komplexität der verarbeitbaren Aufgaben. Ob diese Entscheidung sinnvoll ist, hängt davon ab, ob die geschickte Hand in Zusammenarbeit mit Handgelenk und Arm fortlaufende Aufgaben unter sich ständig ändernden Kontakten stabil erledigen kann.

Das bedeutet auch, dass sich der Wettbewerb um geschickte Hände möglicherweise von der „Maximierung der Parameter“ zur „Maximierung des Aufgabenbeitrags“ verlagert. Freiheitsgrade, Größe, Gewicht und Sensorik sind keine unabhängigen Kennwerte mehr. Wichtiger ist, ob sie sich unter den begrenzten Kosten für Struktur und Steuerung tatsächlich in Aufgabenfähigkeit umwandeln lassen.

Für die Branche der verkörperten Intelligenz ist es im Vergleich zu „wer macht es komplexer“ heute das Leitmotiv, „wer nachweisen kann, dass jede Komplexität nützlich ist“.

02. Nach dem Kontakt beginnt der harte Kampf der geschickten Handhabung

Bereits zuvor sind Roboter von Sharpa in einer DQ-Filiale in Shanghai im Einsatz gewesen, wo sie unter Verwendung der vorhandenen Geräte, Werkzeuge und Arbeitsabläufe der Filiale an der Herstellung von Eiscreme mitgewirkt haben. Solche Aufgaben erfordern, dass sich der Roboter an bestehende Arbeitsabläufe anpasst, und stellen gleichzeitig die Bewegungsfähigkeit, Größe und Wahrnehmung der Hand auf die Probe.

Am Beispiel des Rührens: Der Roboter muss einen Pappbecher halten und gleichzeitig mit Daumen und Zeigefinger einen Metallring am Bechermund befestigen. Der Pappbecher verformt sich, das Rühren verändert die Krafteinwirkung – ein zu lockeres Halten führt leicht zu Instabilität, ein zu festes Halten kann den Becher zerstören.

Die Schwierigkeit besteht hier darin, Finger, Handgelenk und Arm kontinuierlich an die sich ändernden Kontakte anzupassen. Die Finger halten die Position von Becher und Metallring, das Handgelenk passt die Haltung an, der Arm bewegt den Becher, und die Kraftrückmeldung steuert die Greifkraft.

Sharpa Roboter stellt Eiscreme in einer DQ-Filiale her

Das CraftNet von Sharpa verarbeitet Bewegungsplanung und Kontaktsteuerung schichtenweise.

System 1 plant die gesamte Aktion und führt den Roboterarm an das Objekt heran; System 0 passt die Position von Hand und Fingern kontinuierlich mit einer Frequenz von etwa 100 Hz an, basierend auf taktilen Rückmeldungen. Der Ausführungszustand wird dann an die obere Schicht zurückgemeldet, um das System bei der Korrektur der Bewegungsplanung zu unterstützen. Auf diese Weise wird die taktile Rückmeldung in die Greifsteuerung des Roboters einbezogen, sodass der Roboter seine Aktionen an die sich ändernden Krafteinwirkungen anpassen kann.

Diese Aufgabenteilung entspricht unterschiedlichen Verarbeitungsrhythmen. Die Gesamtaktion muss entsprechend den Arbeitsabläufen voranschreiten, während sich Änderungen im Kontakt bereits vor Abschluss der Aktion ereignen können. Die schichtenweise Steuerung ermöglicht häufigere lokale Anpassungen.

Selbst wenn Wahrnehmung und Steuerung miteinander verbunden sind, kann der Roboter bei sich ändernden Kontakten Fehler machen. Die von dem Sharpa-Team bei CoRL 2026 veröffentlichte Studie WM-Craftnet kombiniert Tiefe des Handgelenks, Taktilität, Eigenwahrnehmung und Aktionshistorie zu einem sich kontinuierlich aktualisierenden Zustand, um reale Sensorrauschen sowie Änderungen der Objektposition und der Kontaktbeziehungen zu verarbeiten.

Bei der echten Demonstration der W01 kann der Eckblock kontinuierlich mehr als eine Minute lang gedreht werden. Bei einigen Störungstests kann das System zudem den Griff anpassen und die Drehung wiederherstellen.

Das Forschungsteam hat auch Fehlerfälle veröffentlicht, zum Beispiel kippt ein entenförmiges Objekt nach fünf Drehungen zur Seite. Die kontinuierliche Beurteilung des Kontaktzustands und die zeitige Wiederherstellung des Griffs nach Instabilität bleiben eine Herausforderung für das Steuersystem.

03. Die Definition der Obergrenze der geschickten Handhabung hängt vom gesamten System ab

Die neuen Produkte berücksichtigen weiterhin den Handhabungsraum und die Änderungen von Kontakten.

Der D01 verwendet ein kugelförmiges Handgelenk in nahezu menschlicher Größe, das die Anpassung der Haltung in begrenztem Raum erleichtert; die elektronische Haut, die Bereiche wie Arm und Brust bedeckt, erfasst taktile Informationen mit einer Frequenz von 100 Hz. Nach Angaben des Unternehmens beträgt die maximale Geschwindigkeit des Endeffektors des D01 mehr als 10,5 m/s, und die Wiederholgenauigkeit liegt bei 0,2 mm.

Die Größe des Handgelenks bestimmt, ob die Hand sich dem Objekt in einem geeigneten Winkel nähern kann, während die körperliche Taktilität den Wahrnehmungsbereich über die Fingerspitzen hinaus erweitert. Wenn das Handhabungsobjekt die Handfläche berührt oder der Arm äußeren Kräften ausgesetzt ist, muss das Steuerungsprogramm entscheiden, wie es reagiert, um zu vermeiden, dass lokale Anpassungen die laufende Aufgabe unterbrechen.

Die Art der Krafteinwirkung bei Kontakten beeinflusst auch, wie der Roboter Handhabungsfähigkeiten erlernt. Der AE01 erfasst die natürlichen Gelenkbewegungen des Bedieners über 22 Encoder und bildet die Aktionen auf den Roboter ab; jede Fingerspitze unterstützt eine dynamische taktile Rückmeldung mit 256 Stufen, die die Greifkraft und den Kontaktzustand an die menschliche Hand zurückgibt. Der Bediener kann die Aktionen anhand der Kontaktrückmeldung anpassen, während er die Bewegung des Objekts beobachtet, und liefert für die Lehre kontaktbezogene Informationen, die den Aktionen entsprechen.

Die Mixgetränk-Demonstration auf der IROS erfolgte per Fernsteuerung: Der Bediener trug den AE01 und steuerte den D01, um nacheinander Eis hinzuzufügen, Getränk einzuschenken, zu schütteln und das fertige Getränk auszugeben. Eine weitere Demonstration zeigte die Reaktion des Roboters auf Kontakte an Arm und Brust.

Die Verformung von Pappbechern und das Rutschen von Objekten verändern die Handhabungsbedingungen des Roboters.