Zweibeiniger autonomer Serviceroboter LISA

LISA ist ein Versuchsroboter zur Erforschung des maschinellen, autonomen zweibeinigen Ganges. Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer alternativen mobilen Plattform für Serviceroboter.

Die technische Machbarkeit der zweibeinigen Fortbewegung haben bisher schon einige Roboter demonstriert. Um die Vorteile der zweibeinigen Fortbewegung jedoch voll ausnutzen zu können, müssen noch weitaus intelligentere Regelungsverfahren zur Stabilisierung und Bahnplanung entwickelt werden. Für die Weiterentwicklung und Erprobung neuer Verfahren dient LISA als Versuchsträger.

Eine Besonderheit dieser Laufmaschine ist die kugelgelenkähnliche Konstruktion der Hüftgelenke. Die beiden Beine des Roboters sind derart beweglich, dass jeder Fuß in alle drei Raumrichtungen verschiebbar und um jede Raumachse drehbar ist. Der Roboter hat vorerst keinen beweglichen Oberkörper, da zunächst Regelungsverfahren erforscht werden sollen, die nicht auf stabilisierende Pendelmassen im Oberkörper angewiesen sind. Zweibeinige Roboter sollen sich schließlich auch dann noch stabil bewegen, wenn arbeitsverrichtende Aufbauten auf dem Oberkörper nicht oder nur begrenzt zur Gleichgewichtsregelung herangezogen werden können. Durch diese Herangehensweise entstehen Verfahren, die einem zweckentsprechenden Oberkörper möglichst große Stabilitätsreservern und somit ein hohes Maß an Flexibilität liefern.

Die Laufmaschine LISA ist ein autonomes System und kann kabellos betrieben werden. Die erforderlichen Mikrocontroller und Prozessoren sind zusammen mit der Leistungselektronik und der Energieversorgung (dem Akku) im Torso integriert.

Technische Daten

• Größe 124 cm
• Gesamtgewicht ca. 40 Kg
• Ober- und Unterschenkellänge 35 cm
• Beinabstand 18 cm
• Parallelkinematische Hüftgelenke
• 12 aktive Freiheitsgrade, je Bein:
  • 3 in der Hüfte,
  • 2 im Fußgelenk und
  • 1 im Kniegelenk
• Gleichstrommotoren mit Harmonic Drive Getrieben, Encodern und Motorstromsensorik
• 6D-Kraft-/Momentensensoren in den Füßen
• Inertialsensoreinheiten (IMUs) im Torso und an den Oberschenkeln
• Bewegliche Zehen (passiv, mit Winkelpotentiometer)
• 1 GHz CPU, 3x 32 Bit uC, CAN-vernetzt
• Autonomes System: Akku, CPU und Leistungselektronik onboard

Aufbau und Technologie

Die Antriebe von LISA bestehen jeweils aus einem Gleichstrommotor mit einem Inkrementalgeber als Winkelencoder und einem untersetzendem Harmonic Drive Getriebe. Jedes Bein besitzt zwei rotatorische Freiheitsgrade im Fußgelenk, ein Drehgelenk im Knie und eine kugelgelenkähnliche Hüfte mit drei rotatorischen Freiheitsgraden. Das Hüftgelenk ist parallelkinematisch ausgeführt (s.u.). Die Beine sind dadurch sehr leicht und schnell und erhalten dennoch annähernd die Bewegungsfreiheit eines menschlichen Beins.

Der Roboter verfügt über jeweils einen Kraft-/Momentensensor in jedem Fuß. Mit diesem lassen sich die Bodenreaktionskräfte und -momente in allen drei Raumrichtungen messen, was dem Roboter insbesondere bei der Gleichgewichtsregelung nützt. Zur Gleichgewichtsregelung dient zusätzlich eine inertiale Messeinheit (kurz: IMU) auf dem Torso. Diese besteht aus mehreren Drehratensensoren (Gyroskope, Kreisel) und Beschleunigungssensoren und kann die Orientierung des Oberkörpers im Raum, relativ zum Gravitationsvektor, dreidimensional messen.

Neben dem Akku befindet sich im Oberkörper auch die zur Ansteuerung der zwölf Motoren erforderliche Leistungselektronik. Die Auswertung der Winkelgeber und die Antriebsregelung erfolgt je Bein mit einem einzigen PowerPC-basierten 32-bit Mikrocontroller (MPC555, 40MHz). Zentrale Berechnungen übernimmt ein Prozessormodul im CompactPCI-Rack mit einer 1 GHz-PowerPC-CPU. Prozessor und Mikrocontroller verwenden das Echtzeitbetriebssystem RTOS-UH.

Ausgehend von dem zweibeinigen Roboter BARt-UH (Stand 2003), der sich nur in eine Richtung bewegen kann wurde ein Roboter entwickelt, der die doppelte Anzahl an Freiheitsgraden besitzt und damit in der Lage ist, sowohl geradeaus, wie auch seitwärts zu gehen und auf der Stelle umzukehren. Die folgenden Abbildungen zeigen den Torso, die Knie- und Fussgelenke des Roboters LISA. Das rechte Bild zeigt noch einfache Krähenfüße ohne Kraft-/Momentensensoren.

Die Entwicklung von LISA ist eine typisch mechatronische Aufgabe. Sowohl die mechanische und die elektrische Konstruktion, wie auch die Prozessrechentechnik wurden am Institut entwickelt. Viele der am Markt vorhandenen Komponenten sind für den Bau eines autonomen Roboters ungeeignet (zu groß, zu schwer). Durch die freie Gestaltung und die gemeinsame Entwicklung der Komponenten war im Sinne der Problemstellung eine bestmögliche Ausnutzung aller Vorteile erreichbar.

Parallelkinematisches Hüftgelenk

Das Hüftgelenk besteht aus drei aktiven rotatorischen Freiheitsgraden, deren Drehachse sich in einem Punkt schneiden. Im Gegensatz zu den meisten Hüftgelenken anderer zweibeiniger Roboter ist das Hüftgelenk von LISA in Form einer rotatorischen Parallelkinematik realisiert worden. Ein Kardangelenk führt meistens auf ein hohes Eigengewicht des Gelenks und funktionsbedingt ergibt sich, dass die Massen einzelner Motoren und Getriebe bei der Bewegung von anderen Antrieben mitzubeschleunigen sind.

Durch die Parallelkinematik befinden sich alle Antriebe im Oberkörper. Erst das geschickte Zusammenspiel aller drei Antriebe führt zu einer gezielten Bewegung des Oberschenkels. Auf diese Weise ergibt sich für den Oberschenkel ein minimales und für den Torso ein maximales Gewicht, was für das zweibeinige Gehen eine besonders vorteilhafte Gewichtsverteilung darstellt. Durch die parallelkinematische Struktur teilen sich die am Oberschenkel angreifenden Kräfte auf die drei Antriebe auf, so dass sich teilweise eine Überlagerung der Antriebsleistung ergibt.

Die Konstruktion der rotatorischen Parallelkinematik erfolgte in Anlehnung an das "Agile Eye" von Prof. Gosselin, Canada, einer Vorrichtung zur schnellen Orientierung einer Kamera um die drei Raumachsen. Gegenüber dem "Agile Eye" wurde für die Hüftgelenke eine zusätzliche Stütze eingebaut, die das Robotergewicht im Gelenk aufnehmen soll und so die bewegten Teilkörper der Parallelkinematik entlastet.

Nachteilig an vielen Parallelkinematiken ist ein höherer Modellierungsaufwand, der häufig nur numerisch erfolgen kann. Für das Hüftgelenk ist es jedoch gelungen, geschlossene analytische Ausdrücke für die inverse, wie auch für die direkte Kinematik und Kinetik des Gelenks zu bestimmen. Hierdurch ergibt sich eine vielfältige Analysemöglichkeit der Gelenkbewegung und eine effiziente Berechnung zur Laufzeit.

• Detaillierte Informationen (Projektposter auf A4 verkleinert)

Echtzeitsystem

• Detaillierte Informationen (Projektposter auf A4 verkleinert)

Simulations- und Analysesoftware

• Simulation und Messdatenerfassung in einem System
• Visualisierung der Simulationsergebnisse oder der empfangenen Messdaten mit dem Visualization Toolkit (VTK), aufgezeichnete Sequenzen oder in Echtzeit
• Direkte Dynamik mittels Open Dynamics Engine (ODE) oder anhand der Bewegungsgleichung nach Newton-Euler-Jourdain
• Umgebung zur Entwicklung und Verifikation der auf dem Roboter zu implementierenden Alogrithmen
• CAN- und TCP/UDP/IP-Schnittstelle zum Roboter
• Interface zum optischen Trackingsystem DTrack von ART
• Schnittstellen zu anderen Anwendungen, wie z.B. Gnuplot, Matlab/Simulink, ...
• Aufnahme von Kameradaten parallel zur Messung, Verarbeitung in VTK-Szenen mit Feature-Overlay und Erzeugung von Videos

Downloads

Videos

• Einige Testbewegungen, die die Beweglichkeit der Beine demonstrieren, wurden in dem folgenden Video aufgenommen. Wie man sieht, gestattet die Kinematik eine 90°-Drehung des Roboters auf der Stelle in nur einem Schritt.
  • Testbewegungen, parallelkinematische Hüfte (ca. 9.4 MB)
• Die folgende Aufnahme zeigt sogenannte statisch stabile Schrittbewegungen von der Seite und von vorne. Der Torso wird über die Fußaufstandsfläche geschoben bevor der Schwingfuß nachzieht. Statisch stabile Bewegungen sind weder schnell noch effizient, aber stets ein einfacher Anfang...
  • Erste Schritte (ca. 11.3 MB)
• LISA dreht mit zwei statisch stabilen Schritten auf der Stelle um 90°.
  • Erste Drehschritte, 2 x 45° (ca. 6.2 MB)
• Das folgende Video zeigt eine Visualisierung der über die Kraft-/Momentensensoren gemessenen Bodenreaktionskräfte (grüne Pfeile) und -momente (rote Pfeile) und des daraus berechneten Druckmittelpunkts (gelb). Der Roboter hat hier keine genaue Kenntnis über seine Lage im Raum. Während des Kippens um die Fußkante stellen sich dadurch große Positionsfehler ein. Die Visualisierung des Durckmittelpunktes beeinflusst dies jedoch nicht.
  • Visualisierung des Center of Pressure / Zero-Moment-Point (ca. 4.9 MB)
• Die nächste Aufnahme zeigt ein Experiment zur seitlichen Stabilisierung des Roboters. Während der ersten beiden Stöße sorgt eine Regelung auf Basis der Kraft-/Momentensignale dafür, dass der Roboter seine aufrechte Position hält ohne in Richtung des Schwingbeins überzuschwingen. Der Standfuß bleibt am Boden. Vor dem dritten Stoß wird die Regelung abgeschaltet. Der Roboter absorbiert die Energie aus dem Stoß nicht und kippt zum Schwingbein hin um.
  • Experiment zur ZMP-Regelung (ca. 6.9 MB)

Bilder

• LISA, ohne Hintergrund
• LISA, mit "passiven" Füßen
• Torso
• Hüftgelenke
• Projektposter

Literatur

Eine vollständige und durchsuchbare Liste der Veröffentlichungen mit Abstracts und BibTeX-Einträgen ist hier zu finden.

LISA ist im Wesentlichen im Rahmen der Dissertation

• Hofschulte, J.: Zweibeiniger Roboter mit parallelkinematischen Hüftgelenken. Books On Demand GmbH, Norderstedt, 2006.

entstanden. Die folgende Liste enthält Publikationen, die den Roboter und/oder seine Komponenten darüber hinaus beschreiben.

• Seebode, M.; Gerth, W.: Echtzeitsystem für einen zweibeinigen Roboter mit adaptiver Bahnplanung. In: Holleczek, P.; Vogel-Heuser, B. (Hrsg.): Mobilität und Echtzeit. PEARL 2007, Informatik Aktuell, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2007, S. 88-97.
• Hofschulte, J.; Seebode, M.; Gerth, W.: Parallel Manipulator Hip Joint for a Bipedal Robot. Proceedings of the 7th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines - CLAWAR 2004, 22.-24.09.2004, Madrid, Spanien.
• Gerecke, M.; Hofschulte, J.; Gerth, W.: Realization of a Lightweight Sensory Foot for a Bipedal Robot. Proceedings of the Sixth International Conference on Climbing and Walking Robots and their Supporting Technologies - CLAWAR 2003, 17.-19.09.2003, S. 895-902.
• Strasser, R.; Seebode, M.; Albert, A.; Gerth, W.: Extrem kompaktes SoC-Konzept eines Gleichgewichtsorganes für einen Laufroboter. In: P. Holleczek, B. Vogel-Heuser (Hrsg.): Verteilte Echtzeitsysteme. PEARL 2003, Springer Verlag Berlin Heidelberg, 2003, S. 49-58.