Forscher des Robotics Institute (RI) der Carnegie Mellon University haben ein System entwickelt, das einen handelsüblichen vierbeinigen Roboter flink genug macht, um auf einem schmalen Schwebebalken zu laufen – eine Leistung, die wahrscheinlich die erste ihrer Art ist.
„Dieses Experiment war riesig“, sagte Zachary Manchester, Assistenzprofessor am RI und Leiter des Robotic Exploration Lab. „Ich glaube nicht, dass jemals jemand erfolgreich Schwebebalken-Laufen mit einem Roboter gemacht hat.“
Durch die Nutzung von Hardware, die häufig zur Steuerung von Satelliten im Weltraum verwendet wird, heben Manchester und sein Team bestehende Einschränkungen im Design des Vierbeiners auf, um seine Gleichgewichtsfähigkeiten zu verbessern.
Zu den Standardelementen der meisten modernen vierbeinigen Roboter gehören ein Oberkörper und vier Beine, die jeweils in einem abgerundeten Fuß enden, wodurch der Roboter einfache, flache Oberflächen überqueren und sogar Treppen steigen kann. Ihr Design ähnelt einem vierbeinigen Tier, aber im Gegensatz zu Geparden, die mit ihrem Schwanz scharfe Kurven steuern können, oder fallenden Katzen, die ihre Orientierung in der Luft mithilfe ihrer flexiblen Stacheln anpassen, verfügen vierbeinige Roboter nicht über eine solche instinktive Beweglichkeit. Solange drei Füße des Roboters Bodenkontakt haben, kann er ein Umkippen vermeiden. Aber wenn nur ein oder zwei Füße auf dem Boden sind, kann der Roboter Störungen nicht leicht korrigieren und hat ein viel höheres Sturzrisiko. Dieser Mangel an Gleichgewicht macht das Gehen über unwegsames Gelände besonders schwierig.
„Mit aktuellen Steuerungsmethoden sind Körper und Beine eines vierbeinigen Roboters entkoppelt und sprechen nicht miteinander, um ihre Bewegungen zu koordinieren“, sagte Manchester. „Wie können wir also ihr Gleichgewicht verbessern?“
Die Lösung des Teams verwendet ein RWA-System (Reaction Wheel Actuator), das auf der Rückseite eines vierbeinigen Roboters montiert wird. Mit Hilfe einer neuartigen Steuerungstechnik ermöglicht die RWA dem Roboter, unabhängig von der Position seiner Füße zu balancieren.
RWAs werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet verwendet, um eine Lagesteuerung auf Satelliten durchzuführen, indem der Drehimpuls des Raumfahrzeugs manipuliert wird.
„Sie haben im Grunde ein großes Schwungrad mit einem daran befestigten Motor“, sagte Manchester, der an dem Projekt mit der RI-Studentin Chi-Yen Lee und den Maschinenbaustudenten Shuo Yang und Benjamin Boksor zusammengearbeitet hat. „Wenn Sie das schwere Schwungrad in eine Richtung drehen, dreht sich der Satellit in die andere Richtung. Jetzt nehmen Sie das und setzen es auf den Körper eines vierbeinigen Roboters.“
Das Team prototypisierte seinen Ansatz, indem es zwei RWAs auf einem kommerziellen Unitree A1-Roboter montierte – einen auf der Nickachse und einen auf der Rollachse – um die Kontrolle über den Drehimpuls des Roboters zu ermöglichen. Mit der RWA spielt es keine Rolle, ob die Beine des Roboters Bodenkontakt haben oder nicht, da die RWAs eine unabhängige Kontrolle über die Körperausrichtung bieten.
Manchester sagte, es sei einfach, ein bestehendes Steuerungs-Framework zu modifizieren, um die RWAs zu berücksichtigen, da die Hardware weder die Massenverteilung des Roboters verändert, noch die Gelenkbeschränkungen eines Schwanzes oder einer Wirbelsäule aufweist. Ohne solche Einschränkungen berücksichtigen zu müssen, kann die Hardware wie ein Gyrostat (ein idealisiertes Modell eines Raumfahrzeugs) modelliert und in einen standardmäßigen modellprädiktiven Steueralgorithmus integriert werden.
Das Team testete sein System mit einer Reihe erfolgreicher Experimente, die die verbesserte Fähigkeit des Roboters demonstrierten, sich von plötzlichen Stößen zu erholen. In der Simulation ahmten sie das klassische Falling-Cat-Problem nach, indem sie den Roboter kopfüber aus fast einem halben Meter fallen ließen, wobei die RWAs es dem Roboter ermöglichten, sich in der Luft neu zu orientieren und auf seinen Füßen zu landen. An der Hardware zeigten sie die Fähigkeit des Roboters, sich von Störungen zu erholen – sowie die Gleichgewichtsfähigkeit des Systems – mit einem Experiment, bei dem der Roboter entlang eines 6 Zentimeter breiten Schwebebalkens ging.
Manchester prognostiziert, dass vierbeinige Roboter bald von primären Forschungsplattformen in Labors zu weit verbreiteten kommerziellen Produkten werden, ähnlich wie Drohnen vor etwa 10 Jahren. Und mit der kontinuierlichen Arbeit, die Stabilisierungsfähigkeiten eines vierbeinigen Roboters zu verbessern, um sie an die instinktiven vierbeinigen Tiere anzupassen, die ihr Design inspiriert haben, könnten sie in Zukunft in Szenarien mit hohem Einsatz wie Such- und Rettungsaktionen eingesetzt werden.
„Vierbeiner sind das nächste große Ding bei Robotern“, sagte Manchester. „Ich denke, Sie werden in den nächsten Jahren noch viel mehr von ihnen in freier Wildbahn sehen.“
Video: https://youtu.be/tH3oP2s3NOQ