Mit Gleichgewichtsgefühl: Roboterhund tänzelt über Schwebebalken

Ein Forschungsteam des Robotics Institute (RI) der Carnegie Mellon University (CMU) haben Satelliten-Technik dazu genutzt, um einen handelsüblichen vierbeinigen Roboterhund das Balancieren über einen Schwebebalken zu ermöglichen. Damit ist der vierbeinige Roboter nach Angaben der Forschenden der erste, dem dieses Kunststück gelingt.

Für vierbeinige Roboter ist es schwierig, das Gleichgewicht zu halten, wenn nur noch weniger als drei Füße den Boden berühren. Sie sind mit ihrem festen Rumpf, beweglichen Beinen und ihren runden Füßen gemein hin dafür konzipiert, auf ebenen Untergründen zu laufen und Treppen zu steigen. Ein besonderes Körpergefühl und Gleichgewicht benötigen sie deshalb nicht.

Um sich geschmeidig fortzubewegen, nutzen in der Natur vierbeinige Tiere, wie etwa Katzen ihren Schwanz, um das Gleichgewicht besser halten zu können. So weit sind die Wissenschaftler in ihrer Studie "Enhanced Balance for Legged Robots Using Reaction Wheels" (PDF), die auf der International Conference on Robotics and Automation 2023 (ICRA 2023) vorgestellt werden soll, die vom 29. Mai bis zum 2. Juni in London stattfindet, dann aber doch nicht gegangen und haben dem Roboterhund keinen beweglichen Schwanz spendiert. Stattdessen setzen sie ein Reaktionsrad-Aktuatorsystem (Reaction Wheel Actuator – RWA) ein. Solche Systeme werden hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrttechnik verwendet, etwa zur Lageregulierung von Satelliten, um deren Drehimpuls manipulieren zu können.

"Man hat im Grunde ein großes Schwungrad mit einem Motor", erklärt Zachary Manchester, Assistenzprofessor am RI und Leiter des Robotic Exploration Labs, der zusammen mit der RI-Absolventin Chi-Yen Lee und den Maschinenbau-Absolventen Shuo Yang und Benjamin Boksor an dem Projekt arbeitete. "Wenn man das schwere Schwungrad in eine Richtung dreht, wird der Satellit in die andere Richtung gedreht. Jetzt nehmen wir das und setzen es auf den Körper eines vierbeinigen Roboters."

Gleichgewichtsgefühl für Roboter

Durch den Einsatz des RWA soll das Gleichgewicht des Roboters verbessert werden. Bei der herkömmlichen Steuerung vierbeiniger Roboter sind Körper und Beine voneinander entkoppelt und stimmen sich nicht untereinander ab, um ihre Bewegungen zu koordinieren. Mit den auf den Rücken des Roboters montierten RWAs kann der Roboter unabhängig von der Position seiner Füße balancieren.

Zwei dieser RWAs bauten die Wissenschaftler in einen handelsüblichen Roboterhund Unitree A1 ein: einer an der Nick- und einen an der Rollachse. Damit soll der Drehimpuls des Roboters gesteuert werden. Durch die RWAs ist eine unabhängige Kontrolle über die Ausrichtung des Körpers möglich ­– ob dabei die Beine den Boden berühren oder nicht.

Zunächst testete das Wissenschaftsteam in einer Simulation die Fähigkeiten des Roboters. Sie ließen ihn virtuell kopfüber aus knapp einem halben Meter Höhe fallen. Der Roboter orientierte sich dabei im Fall dank der RWAs so, dass er wieder auf seinen Füßen landete. In der Praxis setzten die Forscher ihn dann plötzlichen Stößen aus, von denen er sich schnell erholte und wieder ins Gleichgewicht kam. Das neu erlangte Gleichgewicht reicht dann auch aus, um den Roboter über einen 6 cm breiten Schwebebalken balancieren zu lassen.

Die Forscher sind sich sicher, dass ihr System dazu beitragen kann, die Stabilisierungsfähigkeiten von vierbeinigen Robotern voranzubringen. Sie könnten dann bei Such- und Rettungsoperationen eingesetzt werden und sich besser in unwegsamen Gelände bewegen.

Lesen Sie auch

Humanoids: Wie Roboter Arme und Hände zum Laufen nutzen

(olb)