Vier

Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA

Forscher am Robotics Institute (RI) der Carnegie Mellon University haben ein System entwickelt, das einen handelsüblichen vierbeinigen Roboter flink genug macht, um über einen 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 es jemals jemandem gelungen ist, mit einem Roboter auf dem Schwebebalken zu laufen.“

Durch den Einsatz von Hardware, die häufig zur Steuerung von Satelliten im Weltraum verwendet wird, konnten Manchester und sein Team bestehende Einschränkungen im Design des Vierbeiners ausgleichen und seine Balancierfähigkeiten verbessern.

Zu den Standardelementen der meisten modernen Vierbeinerroboter gehören ein Rumpf und vier Beine, die jeweils in einem abgerundeten Fuß enden, sodass der Roboter einfache, ebene Flächen überqueren und sogar Treppen steigen kann. Ihr Design ähnelt einem vierbeinigen Tier, aber im Gegensatz zu Geparden, die ihren Schwanz nutzen können, um scharfe Kurven zu steuern, oder fallenden Katzen, die mithilfe ihrer flexiblen Stacheln ihre Ausrichtung in der Luft anpassen, verfügen vierbeinige Roboter nicht über eine solche instinktive Beweglichkeit.

Solange drei Füße des Roboters Bodenkontakt haben, kann ein Umkippen vermieden werden. Wenn jedoch nur ein oder zwei Füße auf dem Boden stehen, kann der Roboter Störungen nicht einfach ausgleichen und es besteht ein viel höheres Sturzrisiko. Dieser Mangel an Gleichgewicht macht das Gehen über unebenes Gelände besonders schwierig.

„Bei 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 nutzt ein Reaktionsrad-Aktuatorsystem (RWA), 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 häufig zur Lagekontrolle von Satelliten eingesetzt, indem sie den Drehimpuls des Raumfahrzeugs manipulieren.

„Man hat im Grunde ein großes Schwungrad mit einem daran befestigten Motor“, sagte Manchester, der an dem Projekt mit der RI-Doktorandin Chi-Yen Lee und den Maschinenbau-Doktoranden Shuo Yang und Benjamin Boksor arbeitete. „Wenn man das schwere Schwungrad in eine Richtung dreht, dreht sich der Satellit in die andere Richtung. Jetzt nimm das und setze es auf den Körper eines vierbeinigen Roboters.“

Das Team erstellte einen Prototyp seines Ansatzes, indem es zwei RWAs an 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. Beim RWA spielt es keine Rolle, ob die Beine des Roboters Bodenkontakt haben oder nicht, da die RWAs eine unabhängige Steuerung der Körperausrichtung ermöglichen.

Manchester sagte, es sei einfach, einen bestehenden Steuerungsrahmen 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 Steuerungsalgorithmus 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 Fallkatzenproblem nach, indem sie den Roboter aus einer Höhe von fast einem halben Meter auf den Kopf fallen ließen, wobei die RWAs es dem Roboter ermöglichten, sich in der Luft neu zu orientieren und auf den Füßen zu landen. An Hardware demonstrierten sie die Fähigkeit des Roboters, sich von Störungen zu erholen – sowie die Fähigkeit des Systems zum Ausbalancieren – mit einem Experiment, bei dem der Roboter entlang eines 6 Zentimeter breiten Schwebebalkens lief.

Manchester prognostiziert, dass vierbeinige Roboter bald von primären Forschungsplattformen in Laboren zu allgemein verfügbaren kommerziellen Produkten werden werden, ähnlich wie es Drohnen vor etwa zehn Jahren waren. 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 anspruchsvollen Szenarien wie Such- und Rettungseinsätzen eingesetzt werden.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Aaron Aupperlee unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 412-268-9068.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Augustausgabe 2023 des Motion Design Magazine.

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