Der MIT-Roboter Cheetah 3 kann nun über unwegsames Gelände springen und galoppieren, eine mit Trümmern übersättigte Treppe hinaufsteigen und schnell das Gleichgewicht wiederherstellen, wenn er plötzlich gezogen oder geschoben wird, während er im Wesentlichen blind ist.
Die 90 Pfund schwere Cheetah 3 Roboter ist absichtlich so konzipiert, dass sie all dies ohne Kameras oder externe Umweltsensoren tun kann. Stattdessen „fühlt“ sie sich in einer Weise durch ihre Umgebung, die von den Ingenieuren als „blinde Fortbewegung“ bezeichnet wird, wie in einem pechschwarzen Raum.
„Es gibt viele unerwartete Verhaltensweisen, mit denen der Roboter umgehen kann, ohne sich zu sehr auf das Sehen zu verlassen“, sagt Sangbae Kim, Associate Professor für Maschinenbau am MIT. Wir wollen dass sich der Roboter mehr auf taktile Informationen verlässt. Auf diese Weise kann er unerwartete Hindernisse überwinden, während er sich schnell bewegt.“
Die Forscher werden im Oktober 2018 auf der Internationalen Konferenz über intelligente Roboter in Madrid die visionsfreien Fähigkeiten des Roboters vorstellen. Zusätzlich zur blinden Fortbewegung wird das Team die verbesserte Hardware des Roboters demonstrieren, einschließlich eines erweiterten Bewegungsumfangs im Vergleich zu seinem Vorgänger Cheetah 2, der es dem Roboter ermöglicht, sich vorwärts und rückwärts zu strecken und sich von einer Seite zur anderen zu drehen, ähnlich wie eine Katze, die sich bis zum Sturz bewegt.
„Cheetah 3 ist für vielseitige Aufgaben wie die Kraftwerksinspektion konzipiert, die verschiedene Geländebedingungen wie Treppen, Bordsteine und Hindernisse am Boden umfasst“, sagt Kim. „Ich denke, es gibt unzählige Gelegenheiten, bei denen wir Roboter schicken möchten, um einfache Aufgaben anstelle von Menschen zu erledigen. Gefährliche, schmutzige und schwierige Arbeiten können durch ferngesteuerte Roboter viel sicherer erledigt werden.“
Cheetah 3 Technologie
Der Cheetah 3 kann sich blind auf Treppen und durch unstrukturiertes Gelände bewegen und dank zweier neuer, von Kims Team entwickelter Algorithmen, einem Kontakterkennungsalgorithmus und einem modellprädiktiven Steuerungsalgorithmus, schnell wieder ins Gleichgewicht kommen.
Der Kontakterkennungsalgorithmus hilft dem Roboter, die beste Zeit für ein bestimmtes Bein zu bestimmen, um vom Schwingen in der Luft zum Tritt auf den Boden zu wechseln.
„Wenn es darum geht, von der Luft auf den Boden zu wechseln, muss die Umstellung sehr gut gemacht sein“, sagt Kim. „Dieser Algorithmus ist wirklich über,’Wann ist eine sichere Zeit, um meinen Schritt zu begehen?'“
Der Kontakterkennungsalgorithmus hilft dem Cheetah 3 Roboter, die beste Zeit für den Übergang eines Beines zwischen Schwung und Schritt zu bestimmen, indem er für jedes Bein drei Wahrscheinlichkeiten berechnet: die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bein mit dem Boden in Kontakt kommt, die Wahrscheinlichkeit der Kraft, die erzeugt wird, wenn das Bein den Boden berührt, und die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Bein in der Mitte befindet. Der Algorithmus berechnet diese Wahrscheinlichkeiten auf der Grundlage von Daten aus Gyroskopen, Beschleunigungsmessern und Gelenkpositionen der Beine, die den Winkel und die Höhe der Beine in Bezug auf den Boden erfassen.
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Tritt der Roboter beispielsweise unerwartet auf einen Holzblock, kippt sein Körper plötzlich und verschiebt den Winkel und die Höhe des Roboters. Diese Daten fließen sofort in die Berechnung der drei Wahrscheinlichkeiten für jedes Bein ein, die der Algorithmus kombiniert, um abzuschätzen, ob sich jedes Bein dazu verpflichten sollte, auf den Boden zu drücken oder ob es hochgehoben und weggeschwenkt werden sollte, um sein Gleichgewicht zu halten – und das alles, während der Roboter praktisch blind ist.
„Wenn Menschen die Augen schließen und einen Schritt machen, haben wir ein mentales Modell dafür, wo der Boden sein könnte und können uns darauf vorbereiten. Aber wir verlassen uns auch auf das Gefühl der Bodenhaftung“, sagt Kim. „Wir tun das Gleiche, indem wir mehrere Informationsquellen kombinieren, um die Übergangszeit zu bestimmen.“
Die Forscher testeten den Algorithmus in Experimenten mit dem Cheetah 3 beim Traben auf einem Laborlaufband und beim Klettern auf einer Treppe. Beide Oberflächen waren mit zufälligen Gegenständen wie Holzblöcken und Klebebandrollen übersät.
„Er kennt nicht die Höhe jeder Stufe und weiß nicht, dass es ein Hindernisse auf der Treppe gibt, aber er springt einfach durch, ohne sein Gleichgewicht zu verlieren“, sagt Kim. „Ohne diesen Algorithmus war der Roboter sehr instabil und fiel leicht.“
Zukünftige Kraftnutzung
Die blinde Fortbewegung des Cheetah 3 ist zum Teil auch auf den modellprädiktiven Regelalgorithmus zurückzuführen, der vorhersagt, wie viel Kraft ein bestimmtes Bein aufbringen soll, wenn es sich zu einem Schritt entschieden hat.
„Der Kontakterkennungsalgorithmus wird Ihnen sagen, dass dies die Zeit ist, um Kräfte auf den Boden aufzubringen“, sagt Kim. „Aber wenn du erst mal auf dem Boden bist, musst du jetzt kalkulieren.