Integrierte magnetische Messsysteme
Mehr Gleichgewicht für Serviceroboter
Serviceroboter sollen uns im Alltag unter die Arme greifen, unsere Koffer am Flughafen tragen oder Senioren in ihrem häuslichen Umfeld unterstützen. Dabei werden einige Exemplare immer menschenähnlicher bis hin zum aufrechten Gang. Doch es ist gar nicht so einfach dabei für das nötige Gleichgewicht zu sorgen. Hier wird ein Messsystem gebraucht, das Positionsrückmeldungen in hoher Datenqualität liefert.
Die humanoiden Zweibeinroboter von PAL Robotics sind menschengroß und bieten bis zu 40 Freiheitsgrade. Mittels magnetischer Winkelmesssysteme wird den Robotern Gleichgewicht verliehen. (Bild: Renishaw GmbH)
Der REEM-C, ein humanoider Zweibeinroboter von Pal Robotics, dient vor allem als Forschungsplattform. Diese lässt für Forschungsgebiete wie Navigation, maschinelles Sehen, Mensch/Roboter-Interaktion, künstliche Intelligenz, Greifen, Gehen und Spracherkennung nutzen. Pal Robotics ist im Herzen von Barcelonas Technologiebezirk nur wenige Schritte von den weltbekannten Las Ramblas entfernt angesiedelt und hat sich auf die Entwicklung von Servicerobotern spezialisiert. Alle Arbeitsschritte, wie Design, Programmierung und Montage der Roboter, werden in den Büros in Barcelona ausgeführt. Dort arbeitet ein Team von Ingenieuren fortlaufend daran, die Fähigkeiten der Roboter weiter zu verbessern.
(Bild: Renishaw GmbH)
Das Problem mit dem Gleichgewicht
Luca Marchionni, leitender Technologieverantwortlicher bei Pal Robotics, merkt an, dass eine der schwierigsten Herausforderungen darin besteht, das Gleichgewicht beim Gehen zu halten, etwas, das für Menschen eine Selbstverständlichkeit ist. Gehen bedeutet die Erzeugung und Ausführung von Bewegungsbahnen in vielen Freiheitsgraden gleichzeitig, während die Füße mit der Umgebung interagieren. Das Steuerungssystem eines Zweibeinroboters muss die Übergänge zwischen zwei Phasen bewältigen: den doppelten Stützpunkt, mit beiden Füßen auf dem Boden, und den einzelnen Stützpunkt, dann, wenn nur ein Fuß aufgesetzt wird. Die Entwicklung von Regeln zur Steuerung dieser Vorgänge ist aufgrund der mit der Roboterdynamik verbundenen Nichtlinearitäten schwierig. Häufig stoßen die analytischen Möglichkeiten an ihre Grenzen und die Problematik ist zu komplex, um durch ein reines Trial&Error-Verfahren gelöst werden zu können. Stattdessen kommt ein numerischer Ansatz, die sogenannte Trajektorienoptimierung, zur Anwendung. Dabei wird eine ideale Bahn für die Roboterbewegung vorgegeben und die bestmögliche Annäherung an diesen Bewegungsablauf mithilfe des numerischen Verfahrens berechnet. Das Kriterium bestmöglich wird anhand einer speziell ausgewählten Leistungsfunktion ermittelt, die sowohl die ideale Bahn als auch die physischen Begrenzungen des Roboters berücksichtigt. Für die Entwicklung der Gelenke von humanoiden Robotern existieren strenge Raum- und Gewichtsvorgaben, um Robotervolumen und Trägheit so gering wie möglich zu halten. Viele Roboter von Pal Robotics sind menschengroß und bieten bis zu 40 Freiheitsgrade.
(Bild: Renishaw GmbH)
Das passende Positionsmesssystem
Der REEM-C und weitere humanoide Roboter haben voll bewegliche Gelenke, die je nach Aufgabe unterschiedliche, komplizierte Bewegungen ausführen können. Für die Servosteuerung jedes Gelenks, das heißt im Hinblick auf Drehmoment, Geschwindigkeit und Position, muss das Messsystem Positionsrückmeldungen hoher Datenqualität liefern. Renishaw hat Pal Robotics bei der Auswahl des richtigen Positionsmesssystems beraten und dabei alle Informationen über die geschäftlichen Anforderungen und Produkte von Pal Robotics einfließen lassen. Die Wahl fiel auf die berührungslosen, magnetischen Messsysteme von Renishaws Partnerfirma RLS. Dazu gehörten unter anderem Winkelmesssysteme wie Aksim und Orbis, die in Knie-, Hand- und Ellbogengelenke integriert wurden, und das inkrementelle Komponentenmesssystem Rolin. Zur Steuerung des Gleichgewichts wurde in jedem Roboterfuß ein Kraftrückkopplungssystem eingebaut. Damit wird der Nullmomentpunkt (Zero-Momentum Point, ZMP) berechnet, eine Kennzahl, die verwendet werden kann, um die Stabilität von Robotern wie den REEM-C zu ermitteln. Der gemessene ZMP wird dann in einen Fuzzylogik-PD-Regler eingespeist, um den benötigten ZMP zu verfolgen sowie Gleichgewicht und eine Störunterdrückung zu erzielen. Ziel des Reglers ist es, das Massezentrum des Roboters so zu korrigieren, dass der ZMP immer innerhalb des Fußstützpunkts (unter den Füßen) gehalten wird.
Erfolgreicher Robotergang
Der erfolgreiche Robotergang erfordert im Hinblick auf die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung der Kniegelenkwinkel eine präzise Steuerung, die sich an den Rückmeldungen des Winkelmesssystems orientiert. Die Gleichgewichtssteuerung ist entscheidend für die stabile Fortbewegung auf zwei Beinen. Die vom Drehgebersystem ausgegebenen Daten ermöglichen die Bestimmung der Roboterposition und die Erstellung von Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsreferenzen, denen jedes Gelenk folgen sollte. Magnetische Drehgebersysteme bieten Pal Robotics eine flexible Lösung zur Positionsbestimmung und erfüllen strenge Vorgaben in Hinblick auf Raumbedarf und Leistungsvermögen. Die ausgewählten Messsysteme haben ein beeindruckendes Leistungsspektrum und bieten erhebliche Designfreiheit. Die Gleichgewichtssteuerung erfolgt durch die Kontrolle des direkt auf jedes Gelenk wirkenden Drehmoments. Dadurch wird jedes Roboterglied korrekt für eine stabile Laufbewegung positioniert. Eine hohe Gebergenauigkeit stellt zudem sicher, dass Fehler im Steuersignal reduziert werden. Die Steuerung kann die Roboterpositionen somit schnell korrigieren, damit der ZMP immer innerhalb des Fußstützpunkts bleibt.
