Zweibeiniger Roboter imitiert das menschliche Gleichgewicht beim Laufen und Springen

Zweibeiniger Roboter imitiert das menschliche Gleichgewicht beim Laufen und Springen

Chicago, 1.11.2019

Die Rettung von Opfern aus einem brennenden Gebäude, nach einem Chemieunfall oder einer Katastrophe – überall dort, wo menschliche Hilfe nicht mehr möglich ist, könnten eines Tages robuste, anpassungsfähige Roboter eingesetzt werden.

Ingenieure haben bis jetzt vierbeinige Roboter entwickelt, die laufen, springen und sogar Backflips machen konnten. Probleme gab es jedoch mit zweibeinigen, humanoiden Robotern. Sie gerieten aus dem Gleichgewicht, sobald sie mit Gewalt gegen einen Widerstand angehen mussten oder stürzten sobald sie versuchten, ein großes Hindernis zu überwinden.

Jetzt haben Ingenieure am MIT und an der University of Illinois in Urbana-Champaign eine Methode zur Steuerung des Gleichgewichts für einem zweibeinigen, teleoperativen Roboter entwickelt, die sie Balance- Feedback nennen. Der Roboter des Teams wird von einem Menschen ferngesteuert, der eine Weste trägt, die Informationen über die Bewegung des Menschen an den Roboter übermittelt. Durch die Weste kann der Mensch die Fortbewegung des Roboters steuern. Verliert der Roboter das Gleichgewicht und droht zu fallen, spürt der Mensch einen entsprechenden Zug an der Weste und kann sich so einstellen, dass er sowohl sich selbst als auch den Roboter synchron wieder ins Gleichgewicht bringt.

„Es ist, als würde man mit einem schweren Rucksack laufen – man spürt, wie sich die Dynamik des Rucksacks um einen herum bewegt, und man kann sie kompensieren“, sagt Joao Ramos, der den Ansatz als MIT-Postdoc entwickelte. „Wenn du jetzt eine schwere Tür öffnen willst, kann der Mensch dem Roboter befehlen, seinen Körper gegen die Tür zu drücken und sie aufschieben, ohne das Gleichgewicht zu verlieren.“

Ramos, der heute Assistenzprofessor an der University of Illinois in Urbana-Champaign ist, hat den Ansatz in einer Studie in Science Robotics beschrieben. Sein Mitautor an der Studie ist Sangbae Kim, Associate Professor für Maschinenbau am MIT.

Mehr als nur Bewegung

Zuvor bauten Kim und Ramos den zweibeinigen Roboter HERMES (for Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System) und entwickelten Methoden dafür, um die Bewegungen eines Bedieners per Teleoperation nachzuahmen, ein Ansatz, von dem die Forscher sagen, dass er mit bestimmten humanistischen Vorteilen verbunden ist. „Weil Sie eine Person haben, die im Handumdrehen lernen und sich anpassen kann, kann ein Roboter Bewegungen ausführen, die er noch nie zuvor (per Teleoperation) ausgeführt hat“, sagt Ramos.

In Demonstrationen hat HERMES Kaffee in eine Tasse gegossen, eine Axt geschwungen, um Holz zu hacken, und einen Feuerlöscher bedient, um ein Feuer zu löschen. Alle diese Aufgaben umfassten den Oberkörper des Roboters und Algorithmen, die die Körperposition des Roboters mit der des Bedieners abgleichen. HERMES konnte schlagkräftige Bewegungen ausführen, da der Roboter an seinem Platz verankert war. Das Gleichgewicht war in diesen Fällen viel einfacher zu halten. Wenn der Roboter jedoch irgendwelche Schritte unternehmen müsste, wäre er wahrscheinlich umgekippt. „Wir haben erkannt, dass es nicht ausreicht, nur Bewegungen zu kopieren, um hohe Kräfte zu erzeugen oder schwere Objekte zu bewegen, denn der Roboter würde leicht fallen“, sagt Kim. „Wir mussten die dynamische Balance des Bedieners kopieren.“

Ein umgekehrtes Pendel

Damit der Roboter nicht nur seine Bewegungen, sondern auch das Gleichgewicht des Bedieners kopieren kann, musste das Team zunächst einen einfachen Weg finden, das Gleichgewicht darzustellen. Ramos erkannte schließlich, dass das Gleichgewicht auf zwei Hauptbestandteile reduziert werden konnte: den Massenschwerpunkt einer Person und ihren Druckschwerpunkt – im Grunde genommen ein Punkt auf dem Boden, an dem eine Kraft ausgeübt wird, die allen Unterstützungskräften entspricht.

Die Lage des Massenschwerpunkts in Bezug auf den Druckmittelpunkt, den Ramos fand, bezieht sich direkt darauf, wie ausgeglichen eine Person zu einem bestimmten Zeitpunkt ist. Er fand auch heraus, dass die Position dieser beiden Bestandteile physikalisch als ein umgekehrtes Pendel dargestellt werden könnte.

Um zu definieren, wie sich der Massenschwerpunkt auf den Druckschwerpunkt bezieht, sammelte Ramos menschliche Bewegungsdaten, einschließlich Messungen im Labor, wo er hin und her schwankte, an Ort und Stelle ging und auf eine Platte sprang, die die Kräfte maß, die er auf den Boden ausübte, während die Position seiner Füße und seines Oberkörpers aufgezeichnet wurde. Er verdichtete diese Daten dann zu Messungen des Massenmittelpunktes und des Druckmittelpunktes und entwickelte ein Modell, um sie in Relation zueinander als invertiertes Pendel darzustellen. Er entwickelte dann ein zweites Modell, ähnlich dem Modell für das menschliche Gleichgewicht, skalierte aber auf die Abmessungen des kleineren, leichteren Roboters, und er entwickelte einen Regelalgorithmus, um die Rückmeldung zwischen den beiden Modellen zu verbinden und zu ermöglichen.

Die Forscher testeten dieses Gleichgewichts-Feedback-Modell zunächst an einem einfachen umgekehrten Pendel, das sie im Labor bauten, in Form eines Balkens, der etwa die gleiche Höhe wie Little HERMES hat. Sie verbanden den Strahl mit ihrem Telebetriebssystem, und er schwang sich als Reaktion auf die Bewegungen eines Bedieners entlang einer Strecke hin und her. Als der Bediener zur Seite schwankte, tat es auch der Balken – eine Bewegung, die der Bediener auch durch die Weste spüren konnte. Wenn der Strahl zu weit schwankte, konnte sich der Bediener, der den Zug spürte, in die andere Richtung neigen, um ihn auszugleichen und den Strahl im Gleichgewicht zu halten.

Die Experimente zeigten, dass das neue Rückkopplungsmodell funktionieren könnte, um das Gleichgewicht am Strahl aufrechtzuerhalten, so dass die Forscher das Modell dann an Little HERMES ausprobierten. Sie entwickelten auch einen Algorithmus für den Roboter, um das einfache Modell des Gleichgewichts automatisch in die Kräfte zu übersetzen, die jeder seiner Füße erzeugen müsste, um die Füße des Bedieners zu kopieren.

Im Labor fand Ramos heraus, dass er mit dem Tragen der Weste nicht nur die Bewegungen und das Gleichgewicht des Roboters kontrollieren konnte, sondern auch die Bewegungen des Roboters spüren konnte. Als der Roboter mit einem Hammer aus verschiedenen Richtungen angeschlagen wurde, spürte Ramos, wie die Weste in die Richtung ruckte, in die sich der Roboter bewegte. Ramos widersetzte sich instinktiv dem Schlag , den der Roboter als subtile Verschiebung des Massenmittelpunktes in Bezug auf den Druckmittelpunkt registrierte, den er wiederum nachahmte. Das Ergebnis war, dass der Roboter auch bei wiederholten Schlägen auf seinen Körper nicht umkippen konnte.

Little HERMES ahmte Ramos auch in anderen Übungen nach, einschließlich Laufen und Springen an Ort und Stelle und Gehen auf unebenem Boden, während es sein Gleichgewicht ohne Hilfe von Leinen oder Stützen aufrechterhielt.

Kim und Ramos werden weiterhin an der Entwicklung eines Ganzkörper-Humanoiden mit ähnlicher Gleichgewichtskontrolle arbeiten, um eines Tages durch ein Katastrophengebiet zu laufen und im Rahmen von Rettungs- oder Bergungsmissionen Barrieren wegzustoßen.

Journal Reference:

1. Joao Ramos, Sangbae Kim. Dynamic locomotion synchronization of bipedal robot and human operator via bilateral feedback teleoperation. Science Robotics, 2019; 4 (35): eaav4282 DOI: 10.1126/scirobotics.aav4282