20-beiniger Roboter bewegt sich mühelos durchs Gelände

Wissenschaftler des General Robotic Lab der Duke University haben ein für Roboter eher ungewöhnliches Bewegungskonzept entwickelt und einen Roboter mit 20 teleskopartigen Beinen gebaut. Das ermöglicht dem Roboter eine gleichmäßige Fortbewegung. Er kann außerdem unmittelbar die Bewegungsrichtung wechseln, Lasten transportieren und nahezu jede Geländeformation bewältigen.

Die Forscher ermittelten das Design des Roboters über eine Simulation von mehr als 1500 Roboterkonfigurationen, um einen Roboter zu erhalten, der sich optimal fortbewegen kann. Das Aussehen sollte dabei keine Rolle spielen. Herausgekommen ist ein Roboter ohne Vorder- und Rückseite, wie aus der Studie „Extreme Dynamic Symmetry Enables Omnidirectional and Multifunctional Robots“ hervorgeht, die in Science Robotics erschienen ist.

Der Roboter, Argus genannt, ist kugelförmig aufgebaut. Insgesamt 20 modulare Teleskopbeine gehen strahlenförmig von einem Zentralrumpf in Form eines Dodekaeders aus. Der Körper verfügt entsprechend über zwölf fünfeckige Flächen, von denen die Beine ausgeben. An den Beinenden ist jeweils eine Tiefenkamera angebracht, mit der der Roboter seine Umgebung wahrnimmt. Durch die Verwendung eines gleichmäßigen Dodekaeders als zentralen Körper sind die 20 Beine gleichmäßig um ihn herum angeordnet. Das sorgt dafür, dass über die Kameras jederzeit auch eine optimale Sicht in alle Richtungen gegeben ist.

Die einzelnen Beine werden je nach gewünschter Richtung ein- und ausgefahren, um den Roboter mehr rollend als gehend in die jeweilige Richtung zu schubsen. Dadurch bewegt sich der Roboter aufgrund seiner Symmetrie verhältnismäßig präzise – auch auf Sand und nassen Oberflächen. Er kann senkrecht zwischen Wänden emporklettern und Lasten bis 4,5 kg tragen oder vor sich herschieben. Dabei stabilisiert er sich selbst. Zusätzlich kann der Roboter Hindernisse bis zu einer Höhe von etwa 13 cm überwinden.

„Argus bei der Bewegung zu beobachten, ist mit keinem anderen Roboter vergleichbar, mit dem wir bisher gearbeitet haben“, sagt Jiaxun Liu, Co-Autor und Doktorand im General Robotics Lab der Duke University. „Als wir ihn zum ersten Mal zwischen Bäumen und in unwegsamem Gelände navigieren sahen – selbst nach heftigen Kollisionen –, wussten wir sofort: Das ist etwas völlig Neues.“

Dynamische Isotropie

Die Forscher wollten ermitteln, wie gleichmäßig Argus seinen Massemittelpunkt in jede Richtung beschleunigen kann. Dazu entwickelten sie ein mathematisch abgeleitetes Designprinzip, das sie als „dynamische Isotropie“ bezeichnen. Die dynamische Isotropie kann einen Wert zwischen 0 und 1 annehmen. Der Wert 1 stellt das theoretische Maximum mit der optimalen Beschleunigung dar. Moderne Roboter – egal ob auf zwei oder vier Beinen – erreichen einen Wert von weniger als 0,6.

Bei den Bewegungstests erzielte Argus dagegen einen Maximalwert von 0,91, was sich schon nahe am Optimum befindet. Das bedeutet, dass die Leistung des Roboters in nahezu allen für die Robotik relevanten Bewegungskriterien hoch ist. Dazu zählen etwa die präzise Bahnverfolgung, Robustheit, Energieeffizienz, die Widerstandsfähigkeit hinsichtlich Beschädigungen und die Bewältigung herausfordernder Geländeformationen. Die Wissenschaftler sehen die Symmetrie des Roboters als ausschlaggebend für seine Leistungsfähigkeit an.

„Wenn ein Roboter in jede Richtung gleichermaßen gut beschleunigen kann, ist er nicht mehr darauf angewiesen, sich der Welt auf eine bestimmte Weise zuzuwenden. Vorne und hinten werden austauschbar. Links und rechts werden austauschbar. Das gesamte Problem der Robotersteuerung ändert seinen Charakter.“

Das von den Forschern entwickelte Prinzip der dynamischen Isotropie lässt sich prinzipiell auf alle Roboter anwenden und macht sie dadurch nach einem einheitlichen System bewertbar. Roboter, die nicht speziell an eine bestimmte Form gebunden sind, können so in Simulationen entwickelt und anhand der dynamischen Isotropie bewertet und entsprechend gebaut oder verworfen werden.

(olb)