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Eingebettete CAN-Netzwerke: Wie der Roboter "Lauron" über Stock und Stein marschiert

Auf den Namen Lauron „hört“ ein sechsbeiniger Roboter, der am Karlsruher Forschungszentrum Informatik (FZI) entwickelt wurde. Die aktuellste Version „Lauron IVc“ verfügt über ein eingebettetes CAN-Netzwerk, um die Antriebssteuerungen mit einem Linux-Steuerrechner zu verbinden.

Lauron IVc Bildquelle: © Karlsruher Forschungszentrum Informatik (FZI)

Biologisches Vorbild des Forschungsprojektes Lauron ist die Stabheuschrecke Phasmatodea – auch Phasmida genannt – mit ihren ebenfalls sechs Beinen. Für die Bewegung der Roboterbeine sind Kleinstmotoren von Faulhaber mit einem Durchmesser von lediglich 26 mm und einer Länge von 57 mm zuständig. Um diese anzusteuern, entwickelten die Ingenieure des FZI spezielle Baugruppen. Sieben dieser so genannten Universal Controller Modules (UCoMs) sind im Roboter integriert und über einen CAN-Bus mit dem Host-Controller, dem Linux-Steuerrechner, verbunden.

Zu den vom Rechner übertragenen Daten gehören die Soll-Positionen der drei Gelenkwinkel sowie die Start-, Stopp- und Rückstellbefehle. Die Bewegungssteuerungen melden über den CAN-Bus die aktuellen Motor-Encoder-Werte, die 3D-Kraftwerte der „Fuß“-Sensoren, den Kraftwert der Federung sowie den Strom in den Gelenken. Jeder der 20 eingesetzten, graphitkommutierten Motoren der Serie CXR 2657 liefert konstant 35 mNm Drehmoment. Mit Getriebe und Zugdrähten summiert sich das Drehmoment auf 20 Nm mit Spitzenwerten bis zu 40 Nm.

Über die Motion-Control-Baugruppen ist ein Geschwindigkeits-/Positions-Modus implementiert. Die verhaltensbasierte Steuerung, welche die gesamte Bewegung des Roboters steuert, kommt auf dem PC-104-Steuerrechner zur Ausführung. Bildverarbeitung und Umgebungsmodellierung laufen auf einer zusätzlichen PC-104-Baugruppe.

Die grundlegenden Verhaltensmodule stellen den kleinsten Teil der verhaltensbasierten Steuerung dar. Um komplexe Bewegungen zu ermöglichen beziehungsweise damit jedes Bein ein Maximum an autonomer Beweglichkeit erhält, verfügt jedes Bein zusätzlich über eine eigene Gruppe von vier lokalen Beinverhaltensmustern. Diese Verhaltensmuster erzeugen die erforderliche Schwung- und Haltungstrajektorie für jedes einzelne Bein. Konkret erzeugt das Schwungverhalten die Trajektorie zwischen der vordersten Position (anterior extreme position = AEP) und der hintersten Position (posterior extreme position = PEP). Das Haltungsverhalten ist zuständig für die Strecke von der PEP zurück zur AEP. Das Bodenkontakt- und Kollisionsverhalten schließlich ändert die grundlegende Trajektorie, falls der Kontakt zum Boden verloren geht oder eine Kollision stattgefunden hat.

Die lokalen Mustergruppen für das Beinverhalten sind durch verschiedene Gehmusterverhalten (Tripod, Tetrapod, Pentapod und freie Gangart) koordiniert. Abhängig von einem vorgegebenen Gehgeschwindigkeitsvektor und einem Drehungswert erzeugt die Steuerung die AEP- und PEP-Werte für jedes Bein. Anschließend werden die beiden Werte auf das lokale Schwung- und Haltungsverhalten übertragen. Die Steuerung von Neigung, Höhe und Position des Roboterkörpers erfolgt über drei unabhängige Verhaltensmuster, um die Stabilität der des Roboters sicherzustellen.

Damit Lauron verschiedenartiges Gelände begehen kann, sind entsprechende Gehparameter erforderlich. Werden die Hindernisse zum Beispiel höher, ist entsprechend die Schwunghöhe der Beine zu vergrößern. Ohne ein Umgebungsmodell ist es dem Roboter zwar nicht möglich, seine Parameter im Voraus an das Gelände anzupassen. Nichtsdestotrotz liefert die verhaltensbasierte Steuerung viele Aktivitäts- und Reflexionswerte, die indirekt über die Umgebung informieren.

Zusammen mit speziellen Sensoren werden solche Aktivitätswerte verwendet, um unabhängige Zustandsinformationen bezüglich der Stabilität zu erzeugen. Beispielsweise wird die Summe aller Aktivitäten des Haltungsverhaltens zur Bildung eines Stabilitätszustandswertes benutzt. Eine hohe Summenaktivität ergibt einen hohen Zustandswert. Ein kritischer Gesamt-Stabilitätszustand hält den Gehbetrieb an und führt den Roboter in eine stabile Haltung. Unterstützt wird das gesamte Verfahren durch Time-of-Flight-Kameras (Laufzeitmessung), die mit dem Steuerrechner verbunden sind.

Die Erprobung von Bewegungen in unwegsamem Gelände, wie es die Wissenschaftler des FZI mit Lauron tun, ist keine „Spielerei“. So gibt es beispielsweise Forstmaschinen, die ebenfalls mit sechs Beinen durch den Wald laufen und gefällte Baumstämme herumtragen.