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Kybernetik

Roboterentwicklung für die DARPA-Challenge

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Die Teams, die nicht mit einem eigenen Roboter am DRC-Wettbewerb teilnehmen konnten, wurden zur Teilnahme an der Virtual Robotics Challenge eingeladen. Dabei wurde unter die Lupe genommen, wie die Softwareteams einen simulierten Roboter bei der Ausführung dreier Aufgaben in einer virtuellen Umgebung regelten. Sieben Finalteilnehmer dieser Runde rückten dann in die DRC-Probeläufe auf und konnten mit einem von DARPA zur Verfügung gestellten ATLAS-Roboter arbeiten. ATLAS ist ein humanoider Roboter mit Hydraulikantrieb, der von Boston Dynamics entwickelt wurde.

Lenken eines simulierten Roboters in virtuellem Umfeld

Die zu erfüllenden drei Aufgaben waren ziemlich komplex und standen in engem Zusammenhang mit den acht Aufgaben, die der echte Roboter später im Wettbewerb erfüllen musste. Der Roboter musste etwa über unebenes, schwieriges Gelände laufen und mit einem Feuerwehrschlauch umgehen.

Für den DRC-Wettbewerb mussten wir dafür sorgen, dass Ganzkörperbewegungsplanung und Regelungsalgorithmen für ATLAS schnell genug ausgeführt wurden, um in Echtzeit laufen zu können. Beim Betrieb in einer unbekannten Umgebung wurde der Roboter angewiesen, eine Aufgabe auszuführen. Die Regelung musste die Bewegung des gesamten Roboters unmittelbar planen. Das wurde in MATLAB durch die Nutzung des Wissens über die Struktur des Roboters und die zu seiner Beschreibung verwendeten Gleichungen erreicht.

Über mechanische Systeme wie Atlas ist bekannt, dass Energie erhalten wird, die Massenmatrix positiv ist und dass die Dynamik des Massenschwerpunktes durch den Einfluss der Schwerkraft und der Kontaktkräfte zwischen dem Roboter und der Umgebung eindeutig bestimmt wird. Die Gleichungen haben wichtige Strukturbesonderheiten: Die Dynamik der rechten Hand ist mit der Dynamik des linken Fußes nur über die Massenmatrix verbunden.

Vom Auftaktmeeting bis zum eigentlichen Wettbewerb hatte das Team acht Monate Zeit. Der knappe Zeitplan forderte eine rasche Entwicklung. In MATLAB konnten die Teilnehmer schnell komplexe Regelungsideen und Prototypen entwickeln und visuell debuggen. Das war wichtiger, als zwei oder auch 20 Prozent schnelleren Code zu haben.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Embedded Software Engineering Report 2 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Zwei Monate, nachdem das Team als einer der sieben Gewinner der Virtual Robotics Challenge feststand, erhielt es einen ATLAS-Roboter.

Erneut machte die knapp bemessene Zeit schnelle Entwicklung unerlässlich. In der zweiten Wettbewerbsphase waren nur fünf Monate Zeit, um den ATLAS-Roboter so zu programmieren, dass er acht Aufgaben ausführen konnte. Dazu gehörten Laufen auf unebenem Untergrund, Erklimmen einer Leiter, Freiräumen einer Tür, Durchbrechen einer Wand, Aufdrehen eines Ventils, Anschließen eines Feuerwehrschlauchs und Fahren eines Nutzfahrzeugs. Menschen durften den Roboter zwar lenken, allerdings nur über einen Kommunikationskanal mit niedriger Bandbreite, wodurch eine gewisse Eigenständigkeit unbedingt erforderlich war.

Die Möglichkeit, Algorithmen schnell umzusetzen und zu debuggen, erwies sich als entscheidend dafür, eine Regelung zu erstellen, die ATLAS durch derart komplexe Aufgaben führen kann. Außerdem war die Toolbox Drake, die das Team zur Analyse der Roboterdynamik und für den Entwurf der Steuerungen in MATLAB gebaut hatte, ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Die Toolbox unterstützt Flugbahn- und Bewegungsfeedbackplanung, mehrere Hardwareschnittstellen und Methoden zur Visualisierung, Identifizierung und Schätzung. Drake ist Open-Source-Software und steht nun zum Download zur Verfügung.

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