Blinder Laufroboter „sieht“ mit den Füßen

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Der am MIT entwickelte Laufroboter Cheetah 3 ist in der Lage, Treppen zu steigen und Hindernissen auszuweichen, ohne dass er diese visuell erfassen müsste.
Der am MIT entwickelte Laufroboter Cheetah 3 ist in der Lage, Treppen zu steigen und Hindernissen auszuweichen, ohne dass er diese visuell erfassen müsste. (Bild: MIT)

Ingenieure des MIT haben mit Cheetah 3 einen lauffähigen Roboter entwickelt, der sich frei bewegt und dennoch ohne Kameras oder visuelle Sensoren auskommt.

Moderne Robotik-Systeme ist noch sehr stark auf Bildverarbeitungssysteme gestützt. Dies könnte aber beispielsweise in Einsatzgebieten, in denen die Sichtverhältnisse schlecht sind, problematisch werden. Zudem lassen sich nach Ansicht einiger Robotik-Forscher kameragestützte Systeme leicht täuschen, etwa durch ein zwischengeschobenes Bild. Ein Forschungsprojekt des MIT hat nun mit dem Cheetah 3 ('Gepard 3') einen vierbeinigen Laufroboter entwickelt, der keine Kameras oder visuelle Sensoren verwendet. Trotzdem ist der hundeähnliche Robot in der Lage, um Hindernisse herum zu manövrieren, auf Tische in einer Höhe von 76 Zentimeter zu springen und Treppen hinaufzugehen. Das Team glaubt, dass dieser Ansatz kostengünstiger und effektiver sein könnte als komplexe visuelle Analysesysteme.

Der etwa 90 Pfund schwere Vierbeiner Cheetah 3 ist eine verbesserte Version eines der Cheetah-Familie an Laufrobotern des MIT. Demgemäß besitzt der Roboter bereits einige Talente, die die MIT-Ingenieure schon in den Vorgängern implementiert hatten. So kann er beispielsweise mit hoher Geschwindigkeit über wechselndes Gelände zu laufen. Der Unterschied ist, dass Cheetah 3 nicht sehen kann, was er tut - er arbeitet komplett mit Gefühl.

"Es gibt viele unerwartete Verhaltensweisen, mit denen ein Roboter umgehen können sollte, ohne sich zu sehr auf das Sehen zu verlassen", sagt Sangbae Kim, Associate Professor für Maschinenbau am MIT. "Die visuelle Wahrnehmung kann rauschig sein, etwas ungenau oder manchmal schlichtweg nicht nicht verfügbar. Un wenn man sich zu sehr auf das Sehen verlässt, muss der Roboter sehr genau positioniert sein und wird schließlich sehr langsam agieren. Wir wollen, dass sich der Roboter mehr auf taktile Informationen verlässt. Auf diese Weise kann er unerwartete Hindernisse überwinden, während er sich schnell bewegt."

Zwei Algorithmen lassen Cheetah 3 flexibel auf die Umgebung reagieren

Cheetah 3 tappt blind um die Welt mit zwei von MIT-Ingenieuren entwickelten Algorithmen. Es gibt einen Kontakterkennungsalgorithmus, der dem Roboter hilft, die beste Zeit für jeden seiner vier Beine zu bestimmen, um sich auf einen Schritt festzulegen. Wenn der Roboter beispielsweise auf etwas Weiches tritt, das seine Balance stören kann, kann er das Bein wieder zurückziehen. Eine feste Oberfläche, die sicher scheint, wird Cheetah 3 dazu bringen, sein Gewicht auf diesen Fuß zu legen und weiterzumachen.

Ein zweiter sogenannter "modellprädiktive Regelalgorithmus" entscheidet im Anschluss, wie viel Kraft das Bein für einen Schritt aufbringen soll. Wenn das Bein nicht die richtige Kraft aufbringt, bewegt sich der Körper nicht richtig in die gewünschte Richtung. Das kann dazu führen, dass der Roboter verrutscht oder umkippt. Der modellprädiktive Regelalgorithmus berechnet mehrere Positionen für die Beine und den Körper des Roboters eine halbe Sekunde in der Zukunft und wählt die richtige Kraft, um den Roboter in Bewegung zu halten.

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. Der Algorithmus kombiniert diese um zu ermitteln, ob jedes Bein individuell auf den Boden drücken oder hochgehoben und weggeschwenkt werden sollte, um sein Gleichgewicht zu halten - und das alles, während der Roboter praktisch blind ist. Das versetzt den Roboter unter anderem auch in die Lage, Treppen hochzusteigen, auf denen kleine, lose Hindernisse verstreut liegen. Auch auf äußere Einflüsse könnte Cheetah 3 so reagieren, wass es schwieriger macht, in beispielsweise mit Absicht umzustoßen.

Das Entwicklerteam hat seine Ergebnisse plant, den Cheetah 3 noch in diesem Jahr auf der International Conference on Intelligent Robots in Madrid zu präsentieren. Sie glauben, dass dieser Ansatz für den Bau von Roboter-Lokomotiven in mehr Situationen und Umgebungen funktionieren wird, in denen visuelle Sensoren möglicherweise nicht funktionieren. Nichts hindert zukünftige Versionen des Cheetah daran, Kameras zu haben, aber sie werden für grundlegende Funktionen wie die Bewältigung von Hindernissen auf seinem Weg nicht notwendig sein.

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