Einfach aufgebauter Fahrradroboter zeigt Sprünge und Tricks

Ein Forschungsteam des Robotics and AI Institute (RAI) hat eine zweirädrige, fahrradähnliche Roboterplattform mit der Bezeichnung Ultra Mobility Vehicle (UMV) entwickelt, die auch bei hohen Geschwindigkeiten Hindernisse überspringen kann. Sie soll zudem Tricks wie Fahrten auf dem Hinterrad schaffen, ohne dabei das Gleichgewicht zu verlieren. Der agile Roboter ist in der Lage, sich auch in unwegsamem Gelände zu bewegen.

Die Schwierigkeit besteht bei Robotern, die sich schnell in unterschiedlichen Geländearten bewegen sollen, darin, sie im Gleichgewicht zu halten, bringen Ben Boser und Surya Sing, Mitautoren der Studie „System Design of the Ultra Mobility Vehicle: A Driving, Balancing, and Jumping Bicycle Robot“, die auf Arxiv im Preprint erschienen ist, eine Herausforderung bei der Entwicklung von mobilen Robotern auf den Punkt. Die Wissenschaftler könnten dabei einen Roboter mit Beinen konstruieren, der nahezu jedes Gelände bewältigen kann. Allerdings sind solche Roboter komplex, haben einen hohen Energieverbrauch und bedeuten höhere Entwicklungskosten. Roboter mit Rädern dagegen bewegen sich effizienter, seien einfacher und preisgünstiger zu bauen. Bei der Entwicklung ihres UMV orientierten sich die Forscher an Trial- und Mountainbiker, die in der Lage sind, Hindernisse auf zwei Rädern zu überwinden, schwieriges Gelände auch mit hohen Geschwindigkeiten zu durchfahren und auch auf einem Rad zu balancieren.

Die Wissenschaftler überlegten, wie sie die Bewegungen eines Radfahrers möglichst einfach nachahmen können. Sie entschieden sich dafür, eine Masse auf einem zweirädrigen Vehikel dynamisch zu verlagern, um so die Körpergewichtsverteilung eines Radfahrers simulieren zu können. Dabei sollte der bewegliche Aufbau möglichst wenige Freiheitsgrade aufweisen, um den Gelenkmechanismus einfach und kompakt halten zu können. Zugleich sollte der Roboter hohe Fahrgeschwindigkeiten in schwierigem Gelände erreichen und Hindernisse überwinden können, die größer sind als er selbst.

Die von den Wissenschaftlern des RAI Institute entwickelte Roboterplattform besteht aus einem fahrradähnlichen Rahmen, der mit zwei hintereinanderliegenden Rädern ausgestattet ist. Ein Elektromotor treibt das Hinterrad an, das Vorderrad dient zur Lenkung. Dazwischen haben die Forscher einen massebasierten Gelenkmechanismus mit fünf Freiheitsgraden platziert. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um eine schwere Kopfeinheit, die über einen Hals mit Zugstangen beweglich mit dem Fahrradrahmen verbunden ist. In dem Kopf sind die Rechen- und Steuereinheit sowie die Batterien und Aktuatoren untergebracht und bilden so die zentrale Robotermasse. Die Konstruktion sei aber vergleichsweise leichtgewichtig, einfach zu bauen und berge durch den simplen Aufbau wenige Fehlerquellen, heißt es von den Wissenschaftlern des RAI Institute.

Gewichtsverlagerungen

Durch die Positionsveränderung dieser Masse kann das Gewicht des Roboters je nach Fahrsituation auf zwei Rädern ausbalanciert und das Gleichgewicht gehalten werden. Zudem sind ruckartige Positionsveränderungen des Gewichtes möglich, sodass das UMV dadurch etwa Sprünge initiieren kann.

Das UMV trainierten die Wissenschaftler mittels Reinforcement Learning (RL) zunächst in einer Simulation und übertrugen die Daten ohne weitere Anpassungen auf den realen Roboter. Der Fahrradroboter konnte dadurch nicht nur antrainierte Bewegungen durchführen, sondern entwickelte auch neue Bewegungsverhaltensweisen, die der Lernalgorithmus selbstständig gefunden hatte.

Durch den Einsatz von RL kann der Roboter immer wieder neue Bewegungsstrategien entwickeln, etwa um bestmöglich Hindernisse zu umfahren oder unwegsames Gelände zu überwinden. Das gelingt dem UMV mit einer erstaunlichen Agilität. So kann es Hindernisse mit einer Höhe von einem Meter, etwa 130 Prozent der eigenen Körpergröße, überwinden. Zudem ist der Fahrradroboter mit 8 m/s (28,8 km/h) recht flott unterwegs.

(olb)