A Walksystem for a Quadruped

Rough Terrain Robot

Jan Ruhnke

3. Dezember

2011

Autonomous Mapping Exploration and Evasion

Master-Informatik – AW1 HAW-Hamburg

ruhnke@enapse.de

Gliederung

Einleitung • Problemstellung

• Lösungen / Stand der Technik

Laufsysteme

• Forschungsgruppen

• Grundkonzept

• Gangarten

• Gleichgewicht

Kontroller • Konzepte

• Kontroller Vision

Abschluss

• Vision AMEE

• Risiken

• Quellen

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Roboter als Helfer (USAR)

Katastrophen

Verletzte suchen

Daten erfassen

Kartographie

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Bild © fema.gov

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Zielsetzung

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+Realisierung des Laufsystems (HW-SW)

-Keine KI (Björn Bettzüche)

-Kein Pathplanning (frei)

-Keine Mensch Maschine Schnittstelle (frei)

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Problemstellung

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Start

Ziel

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Problemstellung

December 3, 2011 6

Start

Ziel

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

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Serienlösungen Stand der Technik

Mobilität im Gelände

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SMSS [Lockheed Martin]

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Mobilität im Gelände

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HD2 SWAT / EOD Tactical Treaded Robot [SuperDroid]

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Mobilität im Gelände

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Walking Harvester [Plustech Oy (John Deere)]

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Laufsysteme

„State of the Art“ Forschungsgruppen

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Sin

gle

Pro

jec

ts

Ge

rma

ny

„Ja

pa

n“ USA

Boston Dynamics

Carnegie Mellon Uni.

MIT

Uni. Pennsylvania

Uni. Stanford

Uni. Southern California

Uni. Osaka

Uni Ibaraki

Honda „HRI“

Toyota

Mitsubishi

Computron DFKI

Uni. Bremen

Uni. Braunschweig

Single Projects

Forschungsgruppen Rough Terrain Robots

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 13

Forschungsgruppe „learning locomotion“ Programm

Boston Dynamics

DARPA

MIT

Uni. Pennsylvania

Uni. Stanford

Uni. Southern California

Laufsysteme Beispiele für

HW-Plattformen

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Ansätze DFKI: Projekt ARAMIES

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Verhaltensbasierend

•festen Laufmustern

Reaktives Verhalten

„Biologischer“ Kontroller

[DFKI]

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Ansätze „learning locomotion“ Prg

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Automaten Konzept

Online / Offline Konzept

Layer Konzept

[Boston Dynamics] Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Statischer Läufer

Gangart und

Schwerpunkt

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Arten von Laufsystemen

Dynamischer Läufer

Pro Läuft schnell

Contra Aufwendige Mechanik Genaues Timing Kann umfallen

Statischer Läufer

Pro Fällt nicht um Einfache Mechanik Simples Timing

Contra Läuft langsamer

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Walking Gait: Fast Walk

December 3, 2011 19

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 20

Statischer Läufer Stabiler Bereich ohne Füße

Radius Fuß

Stabiler Bereich mit Füßen

Schwerpunkt

①②③④ Fuß Nummer

d2,4

d4,2 ①

Winkelhalbierende

③

④

②

Fast Static Walk

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Walking Gait: Save Walk

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Statischer Läufer

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Stabiler Bereich ohne Füße

Radius Fuß

Stabiler Bereich mit Füßen

Winkelhalbierende

Schwerpunkt

② ③

④

①②③④ Fuß Nummer

d2,3

d3,4

d4,2①

Save Walk

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Ein möglicher

Kontroller

Stand der Forschung

December 3, 2011 23

Monolithischer Ansatz

December 3, 2011 24

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Extrem verteilter Ansatz

December 3, 2011 25

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Kontroller (SW) Ansätze

Kontrolliert

Feste Abläufe

Festes Timing

Starres Regelsystem

Insektenverhalten

Lernend

Lernt Bewegungen

Kaum feste Regeln

Propriozeption

Plant Bewegungen

December 3, 2011 26

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 27

Kontroller des Laufsystems

Problem

Unwegsames Gelände

Fuß-Schlupf

Ungeplante Kollision

Modellfehler

Sensor-Fehler

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 28

Kontroller des Laufsystems

deliberative Layer

(Offline)

Reactive Layer

(Online)

Higher Logic

(Offline)

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 29

Deliberative Layer pro Schritt

Step &

Body

Plan

Gait

selection

Leg

selection

Body

Shift

Pitch &

Roll Plan

Reactive Layer

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

December 3, 2011 30

Reactive Layer pro Bein

Deliberative Layer

Send to

Leg

Pitch &

Roll

Controller

Touch

Controller

MCU

Leg

Controller

Pitch & Roll

Sensors

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

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Ausblick

Project AMEE Vision

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Stand AMEE Laufsystem

Abgeschlossen

Mechanik Bein

API

Bein System

Motion Controller

IDE

Aufgabe

Mechanik Laufsystem

Hauptkontroller Deliberativer Layer Reaktiver Layer

Synchronisation 10%

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Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

Risiken

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Zu wenig Sponsoren Zu wenig finanzielle Mittel

Zu wenig Zeit

Verletzung von Patenten

Lastausgleich in den „Hauptkontrollern“ kritisch

Laufzeiten zu den Kontrollern (MCU zu Hauptkontroller)

Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss

03.12.2011 35

AMEE ist ein Projekt von Studenten der HAW Hamburg

Vielen Dank an die Materialsponsoren

Ebenso ein Dank an die betreuenden Professoren G. Klemke & A. Meisel sowie an unsere Ehefrauen

Quellen

December 3, 2011 36

[Bet10] Bettzüche, Björn. 2010. Machbarkeitsprüfung zur Entwicklung von SW-Anwendungen mit MS-Robotics Developer Studio für das Robocup Rescue Szenario. [PDF] s.l., Hamburg : HAW Hamburg, Technische Informatik, Juli 2010. [Adu07] Adukuzhiyil, Anish, Singh, Harshit und Vantimitta, Pavani. 2007. Robot Motion for Obstacle Negotiation. [PDF] Stanford USA : Stanford University, 2007. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation. [Che09] Cherouvim, Nicholas und Papadopoulos, Evangelos. 15 June 2009. Novel Energy Transfer Mechanism in a Running Quadruped Robot with One Actuator per Leg. [PDF] 9 Heroon Polytechniou Street, 15780 Athens, Greece : Department of Mechanical Engineering, National Technical University of Athens,, 15 June 2009. Advanced Robotics 24 (2010) 963–978. [Kol09] Kolter, J. Zico, Rodgers, Mike P. und Andrew, Y. 2009. A Control Architecture for Quadruped Locomotion Over Rough Terrain. [PDF] CA 94305 USA : Computer Science Department, Stanford University, Stanford, 2009. [Shk11] Shkolnik, Alexander und Tedrake, Russ. 2011. Inverse Kinematics for a Point-Foot Quadruped Robot with Dynamic Redundancy Resolution. [PDF] Cambridge, MA 02139 USA : Massachusetts Institute of Technology, 2011. [Shk10] Shkolnik, Alexander, et al. 12.2010. Bounding on Rough Terrain with the LittleDog Robot. [PDF] MASSACHUSETTS USA : MASSACHUSETTS INST OF TECH , 12.2010. DOI: 10.1177/0278364910388315 The International Journal of Robotics Research. [Shk101] Shkolnik, Alexander, et al. 2010. Motion Planning for Bounding on Rough Terrain with the LittleDog Robot. [PDF] Cambridge, MA 02139, USA : Computer Science and Artificial Intelligence Lab, MIT, 2010.

Quellen

December 3, 2011 37

[Sic08] Siciliano, Bruno und Khatib, Oussama. 2008. Handbook of Robotics. Heidelberg 2008 : Springer-Verlag, 2008. ISBN: 978-3-540-23957-4 e-ISBN: 978-3-540-30301-5. [Spe07] Spenneberg, Dirk . 2007. http://robotik.dfki-bremen.de. ARAMIES. [Online] 1. April 2007. [Zitat vom: 27. Juni 2011.] http://robotik.dfki-bremen.de/de/forschung/projekte/weltraumrobotik/aramies.html. [Rai08] Raibert, Marc, et al. 2008. BigDog, the Rough-Terrain Quaduped Robot. Waltham, MA : Boston Dynamics, 2008. [Hil06] Hilljegerdes, J. et al. 2006. The Construction of the Four Legged Prototype Robot ARAMIES. Climbing and Walking Robots. Berlin Heidelberg : Springer, 2006. [Ruh11] Ruhnke, Jan. 2011. Entwicklung und Realisierung eines vierbeinigen USAR-Roboter-Laufsystems. Bachelor-Thesis. Hamburg Technische Informatik : HAW Hamburg, 2011. [Zha06] Zhang, Lei, Honda, Yoshinori und Inoue, Kousuke. 2006. Omnidirectional Static Walking of a Quadruped Robot. [PDF] Japan : Ibaraki University, Ritsumeikan University, Computron Corporation, 2006. Journal of Robotics and Mechatronics Vol.18 No.1, 2006. Clipsarts Copyright Microsoft Inc. USA, Office.com/Templates Simulation Copyright 2010,2011 Jan Ruhnke

Rad-/ Beinhybrid Idee

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[Shuro Nakajima, Chiba Institute of Technology, Japan]

Rad-/ Beinhybrid Idee

December 3, 2011 39