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A Walksystem for a Quadruped
Rough Terrain Robot
Jan Ruhnke
3. Dezember
2011
Autonomous Mapping Exploration and Evasion
Master-Informatik – AW1 HAW-Hamburg
Gliederung
Einleitung • Problemstellung
• Lösungen / Stand der Technik
Laufsysteme
• Forschungsgruppen
• Grundkonzept
• Gangarten
• Gleichgewicht
Kontroller • Konzepte
• Kontroller Vision
Abschluss
• Vision AMEE
• Risiken
• Quellen
December 3, 2011 2
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Roboter als Helfer (USAR)
Katastrophen
Verletzte suchen
Daten erfassen
Kartographie
December 3, 2011 3
Bild © fema.gov
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Zielsetzung
December 3, 2011 4
+Realisierung des Laufsystems (HW-SW)
-Keine KI (Björn Bettzüche)
-Kein Pathplanning (frei)
-Keine Mensch Maschine Schnittstelle (frei)
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Problemstellung
December 3, 2011 5
Start
Ziel
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Problemstellung
December 3, 2011 6
Start
Ziel
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
December 3, 2011 7
Serienlösungen Stand der Technik
Mobilität im Gelände
December 3, 2011 8
SMSS [Lockheed Martin]
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Mobilität im Gelände
December 3, 2011 9
HD2 SWAT / EOD Tactical Treaded Robot [SuperDroid]
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Mobilität im Gelände
December 3, 2011 10
Walking Harvester [Plustech Oy (John Deere)]
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Laufsysteme
„State of the Art“ Forschungsgruppen
December 3, 2011 11
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
December 3, 2011 12
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
December 3, 2011 14
Ansätze DFKI: Projekt ARAMIES
December 3, 2011 15
Verhaltensbasierend
•festen Laufmustern
Reaktives Verhalten
„Biologischer“ Kontroller
[DFKI]
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Ansätze „learning locomotion“ Prg
December 3, 2011 16
Automaten Konzept
Online / Offline Konzept
Layer Konzept
[Boston Dynamics] Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Statischer Läufer
Gangart und
Schwerpunkt
December 3, 2011 17
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
December 3, 2011 18
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
December 3, 2011 21
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Statischer Läufer
December 3, 2011 22
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
December 3, 2011 31
Ausblick
Project AMEE Vision
December 3, 2011 32
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%
December 3, 2011 33
Einleitung – Laufsystem –– Kontroller– Abschluss
Risiken
December 3, 2011 34
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
December 3, 2011 38
[Shuro Nakajima, Chiba Institute of Technology, Japan]
Rad-/ Beinhybrid Idee
December 3, 2011 39