Der "SCORPION" 

Ein Bericht von:
Dipl. Inf. Dirk Spenneberg
Arbeitsgruppe Robotik
Universität Bremen

Das Hauptziel des SCORPION Projektes ist die Entwicklung eines biomimetischen, acht-beinigen Outdoor-tauglichen Laufroboters. Eine mögliche zukünftige Anwendung von Laufrobotern ist unter anderen die Arbeit in gefährlichen, instabilen, rauhen und unvorhersehbaren Umgebungen. In diesen Umgebungen (z.B. in Search & Rescue Szenarien) ist Mobilität der kritische Faktor. Die Beweglichkeit von aktuellen rad- oder kettengetriebenen Systemen ist für solche Anwendungsbereiche viel zu eingeschränkt. Deshalb ist es notwendig neue und bessere Fortbewegungsmöglichkeiten zu entwickeln.

Das "SCORPION" Projekt hat die Entwicklung eines acht-beinigen Roboters, der mit Hilfe eines biomimetischen Kontroll-Ansatzes gesteuert wird und in diversen Umgebungen eingesetzt werden kann, zum Ziel. Die Steuerung basiert auf Modellen zweier biologischer Grundprinzipien: den zentralen Mustergeneratoren und Reflexen. Die zentralen Mustergeneratoren werden von einer höheren Ebene aus gesteuert. Dieses kann mittels Rhythmic Motion Patternsr (RMPs) oder mittels Posture Control Primitives(PCP) passieren. Die ersteren dienen zur Beschreibung von rhythmischen Bewegungen, die zweiten zur Regulierung der Körperhaltung. Mit Hilfe dieses biomimetischen Ansatzes wird omnidirektionales Laufen (in alle Richtungen) mit sanften und schnellen Übergängen zwischen den einzelnen Bewegungsmustern möglich. Zusätzlich kann die Haltung und die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters während des Laufens verändert werden.

Der "SCORPION" wurde erfolgreich auf rauhem, sandigem und steinigem Untergrund getestet. Eine Kopie dieses Roboters wird z.Z. vom NASA Ames Research Center getestet.

Technische Daten

Der "SCORPION" hat acht Beine und ist etwa 65 cm lang. Die Höhe hängt von der Körperhaltung des Roboters ab und variiert zwischen 20 cm und 60 cm. In einer typischen M-Stellung erreicht der "SCORPION" eine Breite von etwa 40 cm. Der Roboter wiegt insgesamt mit seinen 3.0 Ah Akku-Packs 11,5 kg.

Jedes Bein hat 3 Freiheitsgrade gebildet durch ein thoraxiales Gelenk zur Pro- und Retraktion, ein basales Gelenk zur Anhebung und Absenkung und einem distalen Gelenk zur Streckung des Beines. Die Gelenke werden von 24V, 6W DC Motoren bewegt. In jedem Bein befindet sich desweiteren eine Feder im distalen Segment, um die mechanische Belastung zu reduzieren und um gleichzeitig mit Hilfe eines integrierten Potentiometers die Intensität des Bodenkontaktes zu bestimmen. Der "SCORPION" erfasst die folgenden propriozeptiven Informationen: die Position jedes Gelenkes, den derzeitigen aufgenommenen Strom in jedem Motor, die Neigung in zwei Achsen (X,Y) und die Belastung an jeder Fußspitze. Desweiteren ist er ausgerüstet mit einem Kompass und einem vorwärtsgerichteten Ultraschall Sensor. Um das System mit Hilfe eines externen Laptops fernsteuern zu können und während der Experimente wertvolle Daten erheben und speichern zu können, ist das System mit einer bidirektionalen Kommunikationsverbindung zur Videoübertragung eines PAL CCD Kamera Signals ausgerüstet. Somit kann man den "SCORPION" als semiautonomes System einsetzen.

Die Kontroll-Hardware besteht aus einem Motorola MPC555 Mikrokontroler und einem XILINX Virtex E FPGA. Der MPC555 wird benutzt um die "höheren" Sensoren, die sich nicht in den Beinen befinden, auszuwerten und das Gesamtverhalten des "SCORPION"s zu steuern. Das FPGA hingegen wird zur Verarbeitung der Sensorwerte aller Beine und zur 20 KHz PID-Regelung der Gelenke benutzt.

Der Biomimetische Kontrollansatz

Die Dynamik eines solchen Systems mit einem Standard Kinematik Modell (wie es z.B. für Roboterarme in der Industrie verwendet wird) zu beschreiben ist sehr schwierig. Um ein System mit n Freiheitsgraden zu beschreiben, benötigt man mindestens n gekoppelte Gleichungen. Für drehbare Gelenke sind diese Gleichungen zudem nichtlinear. Berechnungen mit solchen Anzahl nichtlinearen Gleichungen sind sehr komplex und deshalb ungeeignet um direkt online in Echtzeit auf einem autonomen Robotersystem ausgeführt zu werden.

Im Vergleich dazu sind jedoch biologische Systeme wie z.B. Spinnen oder Insekten in der Lage diese komplexen nichtlinearen Probleme zu lösen. Unter Berücksichtigung, dass diese Systeme im Vergleich zu aktuellen Computersystemen über ein eher langsam verarbeitendes Nervensystem verfügen, muss es eine andere Lösung geben um stabiles Laufen in schwierigen Umgebungen zu erreichen. Biologen haben in Abhängigkeit ihrer experimentell gewonnenen Daten und Beobachtungen an Tieren verschiedene Modelle erstellt. All diese Modelle haben eins gemeinsam: einen dezentralisierten Kontrollmechanismus. Diese Kontrollmodelle können in zwei Hauptansätze unterteilt werden. Der erste Ansatz basiert auf den sogenannten Central Pattern Generators (CPG) oder auf deutsch "Zentralen Mustergeneratoren" . Hier werden die Aktuatoren von einem endogenen Muster kontrolliert, welches von einem zentralen oszillierenden Mechanismus erzeugt wird. Der zweite Ansatz ist die reflexgesteuerte Kontrolle, bei der (im Gegensatz zur ersten Idee) die Zustände der Aktuatoren lediglich von der Interaktion mit der Umgebung abhängen. Beide Ansätzen benötigen nur sehr geringe Berechnungsleistungen und sind deshalb ideal für autonome Laufmaschinen. Eine komplett reflexbasierte Kontrolle agiert jedoch nur anhand sensorischer Eingaben wohingegen die Kontrolle über zentrale Mustergeneratoren in der Lage ist, rhythmische Bewegungen ohne jegliches Sensorfeedback zu erzeugen. Im Falle von falschen, unzuverlässigen oder unzureichenden Sensordaten (z.B. bei hohen Geschwindigkeiten) ist dieser Ansatz somit robuster. Auf der anderen Seite kann der CPG-Ansatz in einer sehr unstrukturierten und sich dynamisch verändernden Umgebung unzureichend sein.

Schema des Bewegungsmuster Kontrollansatzes

Aufgrund dieser Erkenntnisse sollten beim Kontrollansatz für den "SCORPION" die besten Teile beider Ansätze vereinigt werden. Die Grundidee ist dabei, rhytmische Bewegunggrundmuster (RMBs) zu haben, die in verschiedener Aktivitätsstärke von der zentralen Kontroll-Ebene aktiviert werden können. Die RMBs kontrollieren die Bewegung des Systems wie ein rein auf CPGs basiertes System, wenn die äußerlichen Störungen auf das System eher gering sind. Die RMBs beeinflussen simultan die Amplitude wie auch die Frequenz der thoraxialen, basalen und distalen Oszillatoren (OST, OSB, OSD). Die Oszillatoren sind mit einer Clock verbunden, welche für lokale und globale (in Bezug zu den anderen Beinen) Synchronisationszwecke benutzt wird. Die Ausgabe der Oszillatoren ist ein rhytmisches Signal, das als gesplinete sinusartige Schwingungen dargestellt werden kann. Es beschreibt die Trajektorien der entsprechenden Gelenke im Gelenkwinkelraum. Damit repräsentiert es die angestrebte Bewegung, die vom Motorischen Endpfad in ein PWM (Pulse Width Modulated) Signal umgesetzt wird und damit die einzelnen Motoren ansteuert.

Auf dieser unteren Ebene wurde eine Gruppe von störungs-spezifischen Reflexen implementiert, die als 'Wachhunde' agieren. Wenn größere Störungen wahrgenommen werden, werden diese Reflexe (z.B. zum Verhindern des Stolperns) ausgelöst und überlagern die Signale der Oszillatoren mit vordefinierten eigenen Bewegungssignalen, um das System zu stabilisieren.

Die RMBs versetzen das System in die Lage vorwärts, rückwärts und lateral zu laufen und sich mit bestimmten Radii zu drehen. Durch Aktivierung von mehr als einem dieser RMBs, können die Einflüsse der verschiedenen RMBs in einen Überlagerungsprozess kombiniert werden. So kann z.B. eine Vorwärtsbewegung mit einer gleichstarken lateralen Linksbewegung kombiniert werden, um eine diagonale Bewegung nach vorn und links zu erreichen. Dieser Überlagerungsprozess erlaubt den sanften und schnellen Übergang von einer Bewegung in eine andere und garantiert, dass das System dabei stabil bleibt. Ein Vorteil dabei ist z.B., dass man den Roboter nicht zuerst anhalten muss, um eine Richtungsänderung durchzuführen.

Zusätzlich zu den RMBs bietet die Architektur der zentralen Kontrollebene die Möglichkeit mittels der sogenannten "Posture Motion Behaviors" (PMB) die Kontrolle der Haltung eines jeden Beines durchzuführen. So benutzen zum Beispiel die Höhen- und Neigungskontrollen auf der Zentralen Kontrollebene diese PMBs, um das System während des Laufens zu stabilisieren. Auch hier kombiniert der Überlagerungsprozess die Einflüsse der PMBs mit denen der RMBs auf die Aktuatoren. Damit ist es möglich, die Höhe des Korpus während des Laufens zu verändern, indem einfach nur die Beine ausgestreckt werden. All diese Mechanismen zusammen versetzen das System in die Lage mit konstanter Geschwindigkeit durch schwieriges Terrain zu laufen. Somit ist es in der Lage mit der selben Softwarearchitektur über unterschiedlichen Untergrund wie z.B. Stein, Sand, Schlamm, Gras, Geröll, Asphalt oder Beton zu laufen. Die Maximalgeschwindigkeit des "SCORPION"s beträgt auf flachem Untergrund etwa eine halbe Körperlänge (30cm) pro Sekunde. Das System kann Hindernisse überwinden, die die gleiche Höhe wie der "SCORPION" im voll ausgestreckten Zustand haben und Rampen mit bis zu 35% Steigung erklimmen, wobei es dabei immer noch Hindernisse (wie z.B. kleine Röhren) von 8 cm Höhe überwinden kann.

Desweiteren erlaubt eine zusätzliche Haltungskontrolle dem Benutzer die exakte Kontrolle über jedes einzelne Gelenk was für zukünftige deliberative Kontrolle genutzt werden kann. Dies kann für eine Vielzahl interessanter zukünftiger Verhaltensweisen eingesetzt werden. Z.B. kann die Haltung eines einzelnen Beines so verändert werden, dass der Roboter damit Lasten auf seinem Rücken tragen kann. Wir haben bereits erfolgreich ein Verhalten getestet, bei dem mit einem Bein einen Balken ergriffen wurde und der "SCORPION" dann auf den restlichen sieben Beinen weitergelaufen ist.

Andere Experimente haben gezeigt, dass durch einen Haltungswechsel des Systems mittels der PCPs und unter Benutzung der unveränderten RMBs zum Vorwärtslaufen es möglich ist, auf dem Kopf an einem Balken entlang zu hangeln. Der einzige Unterschied zwischen dieser Hangelbewegung und dem normalen Vorwärtslaufen besteht in einer anderen Aktivierung der Vorwärts-RMBs und einer anderen Aktivierung der PCPs.

Dieser Bewegungskontrollansatz stellt dem Entwickler eine einfache aber sehr mächtige Schnittstelle zur Verfügung, um weitere Verhaltensweisen für Laufroboter zu implementieren. Für weitere Informationen zum "SCORPION" Projekt kontaktieren Sie bitte Dirk Spenneberg oder werfen Sie einen Blick auf die Publikationen zu diesem Roboter

  • Mitarbeiter: Stefan Bosse, Jens Hilljegerdes, Florian Penquitt
  • Kooperationen: NASA
  • Sponsoren: DARPA und NASA

Fotogalerie

Weiterführende Informationen