1. Mai 2015

Eine Roboter-Stabheuschrecke entsteht

Immer wieder sieht man Roboter, die an Tiere erinnern. Häufig werden Körperbau oder Bewegungsmechanismen von Insekten übernommen. Aber wie funktioniert das eigentlich genau? Was ist nötig, um vom Tier zum Roboter zu kommen?
Wir haben uns HECTOR, eine maschinelle Stabheuschrecke, die derzeit an der Universität Bielefeld am CITEC (Center of Excellence – Cognitive Interaction Technology) entsteht, genauer angeschaut. Prof. Dr. Axel Schneider und Jan Paskarbeit, Hauptverantwortliche für das Projekt, haben Britta Zachau und Sebastian Scholtysek von Roboterwelt.de geduldig die Details erklärt.

Britta Zachau: Wie ist das zu diesem Projekt gekommen?

Axel Schneider: Wir haben uns der Laufrobotik verschrieben. Da gab es verschiedene Inspirationen. In Bielefeld gibt es eine lange Tradition in der Biologie, Verhalten und Physiologie von Stabheuschrecken zu erforschen: Wie verhalten die sich, wie bewegen die ihre Beine? Und: Wie funktioniert die Steuerung im Insektengehirn? Ich habe in der biologischen Kybernetik vor vielen Jahren promoviert und da war mir das Thema gedanklich schon immer im Kopf. Wir wollten ein neues Robotersystem entwickeln, wo wir verschiedene Aspekte aus der Natur übertragen können. Ein wichtiges Konzept, was wir bei HECTOR verwirklicht haben, ist die Elastizität der Gelenke. Muskeln bei Tieren sind immer elastisch. Damit hat man dann den Vorteil, dass der Roboter mit seiner Umgebung kollidieren darf. Wäre er steif, ginge sofort etwas kaputt. Daher kam die Idee zu dem Projekt und wir hatten das große Glück, Herrn Paskarbeit zu gewinnen, der die verrückten Ideen dann in einen realen Roboter umgemünzt hat (lacht). Vater klingt immer so altbacken, aber Entwickler ist sicherlich zu wenig. Er hat alle Aspekte des Roboters mitgestaltet.

Britta Zachau: Und wieso ausgerechnet eine Stabheuschrecke?

Axel Schneider: Die Stabheuschrecke hat verschiedene Vorteile. Erstens ist das ein Insekt, das die Beine nach außen gestellt hat. Schaben zum Beispiel haben die unter dem Körper. Beine, die nach außen gestellt sind, lassen sich besser beobachten. Dann hat man festgestellt, dass die ein sehr homogenes Gangmuster haben. Da hoffte man, sehr schnell an die Geheimnisse des Laufens zu kommen. Insekten sind hier schon ein Thema, das sich durchzieht.

Britta Zachau: Welche Fragen soll das Projekt beantworten? Welches Ziel wollen Sie erreichen?

Jan Paskarbeit: Es geht uns darum, die Koordinationsmechanismen der Insekten auf ein Robotersystem zu übertragen. Dafür brauchen wir erst einmal einen Roboter. Die erste Fragestellung war: Wie kann man so ein System elastisch aufbauen? Das haben wir jetzt praktisch beantwortet. Die nächste Aufgabe ist jetzt, die Koordinationsmechanismen der Insekten abstrakt auf ein System zu übertragen, damit das stabil laufen kann, Hindernisse überwinden kann und so weiter. Denn das können Insekten immer noch wesentlich besser als alle Robotersysteme.

Britta Zachau: Soll der Roboter später auch irgendwo eingesetzt werden oder ist das nur einer Forschungsplattform?

Jan Paskarbeit: Das ist zunächst eine Forschungsplattform, das heißt, es geht nur darum, diese bioinspirierten Konzepte zu erforschen. Und was dann dabei herauskommt, lässt sich auf beliebige sechsbeinige Roboter übertragen. Dieser Roboter selbst wird nicht in Krisenregionen geschickt.

Britta Zachau: Welche Einsatzgebiete könnten Sie sich vorstellen?

Jan Paskarbeit: Alle Situationen, in denen man mit Rädern nicht weiterkommt, das heißt, alle Umgebungen mit unebenem Terrain. Das sind so die klassischen Anwendungsgebiete, auf die wir immer angesprochen werden: Fukushima, Erdbebenregionen und so weiter. Wir entwickeln nicht konkret auf diese konkreten Anwendungsziele, sondern das sind einfach Möglichkeiten, nicht-Rad-getriebene Roboter einzusetzen, einfach weil sie sich besser an die Umgebung anpassen können.

Axel Schneider: In vielen menschgemachten Umgebungen, beispielsweise mit glatten Böden, sind Sie mit Rädern besser bedient. Aber sobald so etwas wie Treppen in Spiel kommen… Das wäre ja auch noch unsere Umgebung, da versucht man derzeit viel mit zweibeinigen Robotern, weil der Mensch scheinbar eine Tendenz hat, sich selbst nachzubauen. Und ist vielleicht auch ein richtiger Ansatz, weil wenn alles dafür ausgelegt ist, für so wie wir funktionieren und man möchte einen technischen Gehilfen haben, der das Gleiche kann, dann muss er vielleicht ähnlich sein wie wir. Doch wenn man mehr als zwei Beine hat, hat man immer den Vorteil von mehr Stabilität. Das ist immer viel wert, weil technische Systeme, die momentan entwickelt werden, einfach teuer sind – und wenn die umfallen, ist das gleich ein großer Schaden. Mit vierbeinigen Systemen kann man etwas experimenteller umgehen. Solche Sechsbeiner eignen sich super als Sensorträger, zum Beispiel in Kratern. Es gibt aber auch einen Übergangsbereich zwischen Rädern und Beinen, sogenannte Whegs („Wheel“ + „Legs“).

Uns geht es darum, zusammen mit den Biologen die Konzepte von Insekten zu verstehen. Die Herausforderung bei den technischen Systemen ist immer, dass man nicht die gleichen Bauteile hat wie die Biologie. Man muss beispielsweise Elektromotoren verwenden. Das heißt in letzter Konsequenz, dass man viele Ansätze, die die Biologen verstanden haben, nochmal abstrahieren muss, damit das auch an so einer Maschine funktioniert. Das Konzept der Abstraktion ist das Wichtigste, wenn man generell in die Bionik schaut.

Britta Zachau: Es heißt, HECTOR sei weltweit einmalig. Was bedeutet das?

Jan Paskarbeit: Es gibt natürlich andere sechsbeinige Roboter. Wenn man bei YouTube „Hexabot“ eingibt, wird man davon erschlagen. Aber was HECTOR einmalig macht, ist diese Kombination aus Leichtbau, Elastizität und den bioinspirierten Koordinationsmechanismen. Wir kennen keinen anderen Roboter, der das in dieser Kombination vereint.

Axel Schneider: Wir haben viel Sensorik verbaut. Die Motoren können ziemlich viele Parameter liefern: über ihre Belastung, Temperaturen und vieles mehr. Acht Arbeitsgruppen arbeiten hier am CITEC gerade an einem bioinspirierten Vision-System, um bestimmte Orte zu erreichen und Objekte zu erkennen. Dadurch hat man ganz viele redundante Informationen, die etwas über den Zustand des Roboters sagen können. Dann ist die Frage: Wie kann man diese ganze Informationsfülle wieder so zusammenbringen? Zum Beispiel: Es fallen irgendwelche Sensoren aus, kann ich das dadurch kompensieren, dass ich sehr viele andere Sensoren im System habe? Dieses Sensor-Fusion ist ein eigenes Forschungsgebiet für sich. Aber wenn wir Konzepte liefern können, die wieder bioinspiriert sind, kann ich das auch in anderen Systemen mit vielen Sensoren verwenden.

Britta Zachau: Also noch kann er sich nicht selbstständig im Raum orientieren?

Axel Schneider: Nein. Das braucht er auch gerade nicht. Bei einem steifen Roboter hätten wir eine Kamera, die erkennt, dass dort eine Stufe ist und dann wird berechnet, wie hoch der Roboter das Bein heben muss. Wenn man den Roboter elastisch baut, dann darf der einfach in diese Stufe hineinstoßen und merkt durch die horizontale Kollision in seinen Antrieben, dass er ein Hindernis vor sich hat. Und deswegen kommen wir in einem Gelände, das ein paar moderate Hindernisse beinhaltet, auch ohne Vision klar. Später sollen zusätzlich mechanische Fühler auf HECTOR landen. Das muss dann alles ein sinnvolles Zusammenspiel sein.

Britta Zachau: Kann HECTOR lernen?

Axel Schneider: Gegenwärtig kann er das nicht, weil er ein rein reaktives System ist. Es wird allerdings etwas entwickelt, das Planungs- und Lernfähigkeiten möglich machen soll. Mal angenommen, HECTOR käme in eine Situation, in der er in ein Loch tritt und kein Bein mehr hochheben kann, ohne umzukippen. Das würde das System bemerken und den Roboter anhalten. Und das höhergelegene System würde dann mit einem internen, vereinfachten Modell des Roboters Lösungskonzepte durchspielen und wenn es eine vermeintliche Lösung gefunden hat, dann wird der Schalter wieder auf den realen Roboter umgelegt. Das sind erste Ansätze, um von diesem Reaktiven zu etwas Kognitivem zu kommen – das ist immer ein sehr großer Begriff, aber Kognition fängt nach unserer Definition da an, wo eine gewisse Planungsfähigkeit vorhanden ist.

Britta Zachau: Der Titel des Projekts heißt übersetzt: „Körperliche Interaktion als Herzstück kognitiver Interaktion.“ Können Sie uns das erläutern?

Axel Schneider: Körperliche Interkation heißt, dass der Roboter in seine Umgebung eingebettet ist. Aber was heißt „eingebettet“? Stellen Sie sich einen Industrieroboter vor, der ein Teil aufnimmt und etwas anderes darauf schraubt. Als Menschen haben wir das Gefühl, der würde wissen, was er da tut. In der Realität ist es aber so, dass der Roboter ganz stur programmiert ist. Das ist ein konzeptueller Unterschied. Wenn sich irgendetwas ändert, egal was, dann führt das gleich zu Zerstörung oder Stillstand. Wenn ein Roboter steif ist, sind schon Fehlpositionierung im Millimeterbereich fatal. Der Industrieroboter steht also in einer Umgebung, kann sich aber nicht wirklich mit ihr verbinden oder mit ihr interagieren. Wenn wir von körperlicher Interaktion sprechen, bedeutet das: habe einen Körper, der mir erlaubt, mit der Umgebung zu interagieren, weil ich elastisch bin.

Britta Zachau: Interaktion kann dann auch Interaktion mit Menschen heißen, oder?

Axel Schneider: Ja, klar. Ich darf den Roboter auch wegschieben, um ihm damit zu sagen, er soll etwas weiter rechts laufen. Das wäre nicht schwer, sowas in die Steuerung zu intergieren.

Innenansuicht von HECTOR

Innansicht einer maschinellen Stabheuschrecke. © Roboterwelt

Britta Zachau: Wie lange läuft das Projekt schon?

Axel Schneider: Angefangen hat das ganze Ende 2008. An dem Roboter ist 95 % selbst entwickelt. Nur die Elektromotoren und Getriebe sind gekauft. Das heißt, bevor wir den Roboter gebaut haben, hat Herr Paskarbeit überhaupt erst einmal die Antriebe entwickelt. Für den Insektenkörper haben wir frühzeitig Industriedesigner von der Folkwang Universität in Essen mit an Bord geholt, außerdem haben wir mit dem Leibniz-Institut für Polymerforschung in Dresden kooperiert. Die sind Experten für Leichtbaugehäuse aus Karbonfasern. Hier war die Kommandozentrale und der Körper hat sich aus der Zusammenarbeit dieser drei Gruppen gebildet. Deswegen hat sich das bis letztes Jahr hingezogen, wo HECTOR in Betrieb genommen wurde. Der nächste Projektabschnitt läuft bis 2017, in dem wir das System erweitern wollen.

Britta Zachau: Sind Sie im Zeitplan?

Axel Schneider: Im Moment sind wir im Zeitplan. In den Projekten zuvor waren wir sehr optimistisch, wie schnell das System gebaut werden kann. Doch wir mussten 800 bis 900 mechanische Teile hier in der Biologiewerkstatt fertigen! Das hat insgesamt ein Dreivierteljahr gedauert.

Jan Paskarbeit: Ja, am Anfang hatten wir die Idee, die Antriebe einfach zu kaufen, das hätte die Entwicklung wesentlich vereinfacht. Wir mussten allerdings schnell feststellen, dass es einfach keine Antriebe gibt, die dafür geeignet wären. Und dann blieb nichts anderes übrig, als diese selbst zu entwickeln. Die größte Anforderung war es, die Elastizität in die Antriebe einzubauen.

Britta Zachau: Wie sind die Antriebe aufgebaut?

Jan Paskarbeit: Wir haben einen Elektromotor. Dahinter liegt das Getriebe, ein sogenanntes Monicdrive-Getriebe. Das besteht aus drei Teilen: einem transparenten Außenring mit Innenverzahnung, einer ovalen Scheibe und einem Zylinder. Diese Getriebe haben den Vorteil im Vergleich zu normalen Planetengetrieben, dass sie nur eine Stufe haben, während man bei normalen Getrieben einen Übersetzungsfaktor von 100 hat, mindestens drei Stufen, das heißt, sie sind sehr leicht. Das Problem dabei ist, dass sie recht anfällig sind. Wenn wir laufen und das Bein auf den Boden kommt, dann haben wir Drehmomentpeaks. Insofern brauchten wir etwas im System, was das etwas abfedert.

Axel Schneider: Eine an dieser Kupplung angebrachte Elektronik misst genau diese Torsion und daraus kann man dann abschätzen, wie groß die Belastung des Motors gerade ist. Genau wie der Motor wurde auch die komplette Elektronik von uns selbst entwickelt. Diese muss alles machen: Den Motor steuern, die Regler implementieren, die Kommunikation vollziehen. Dafür haben wir ein extra kleines BUS-System entwickelt, sodass man in den Beinen möglichst wenig Leitung laufen hat, weil man mit einem Datenkanal ins Bein rein geht und zu jedem Motor muss, damit ich ihm sagen kann, was er tun soll. Dafür muss ein Motor in der Liga sein, mit diesem sehr einfachen BUS zu kommunizieren. Außerdem haben wir einen SD-Karten-Slot angebracht, mit dem wir das Programm ändern können oder um Daten zu speichern. Es ist alles in allem sowohl mechanisch als auch elektronisch ein sehr dicht integriertes System. Dies und die Körpergeometrie waren große Themen in der Entwicklung. Insbesondere die Elastomerkupplung. Da gab es verschiedene Probleme. Darum haben wir mit Experten für Elastomere zusammengearbeitet. Die haben gute Kupplungen entwickelt, wobei wir am Anfang gedacht haben, das etwas anders machen zu können. Und das war für die auch Neuland und das hat nicht geklappt und dann mussten wir zwischendrin noch umschwenken. Das sind Dinge, die man vorher nicht miteinplant. Und vorher zu sagen: Ich hätte gerne 50% der Mittel für mögliche Eventualitäten, ist nicht machbar. Das gibt es weder in der Industrie noch in der Forschung.

Britta Zachau: Sie arbeiten in sehr vielen verschiedenen Gruppen zusammen. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit ist sehr wichtig für das Projekt, oder?

Axel Schneider: Wenn man heutzutage in die Mechatronik schaut, da gibt es kaum noch Sachen, wo man den reinen Maschinenbauer oder den reinen E-Techniker, den reinen Informatiker oder in dem Fall Physiker braucht. Man hat immer so komplexe Systeme heutzutage, dass alle zusammenarbeiten müssen. Bei uns kommt zusätzlich die Biologie als Naturwissenschaft hinzu, die dann mit den Disziplinen der Ingenieurswissenschaft interagiert. Und da hoffen wir gerade, weil die Systeme immer komplexer werden, dass wir zusammen mit den Biologen effektivere Konzepte erarbeiten können. Dies ist beispielsweise bei der Beinsteuerung geschehen. Bei vielen rein ingenieursmäßig erdachten Sechsbeinern finden sie in der Regel feste Gangarten, z.b. eine tripode. In der Natur sieht man aber, dass es bei Insekten eigentlich keine festen Gangarten gibt. Da kommt zufällig, wenn alles ideal und alles glatt ist, vom Rhythmus so etwas Tripodes raus, aber die können zu jederzeit diese Koordination ändern und beispielsweise nur ein Bein anheben und vorsetzen. Die Denkweise, dass es diskrete Gangarten gibt, hat sich als unpraktisch herausgestellt und auch nicht wahr, denn es gibt ein ganzes Kontinuum. Das ist aber ein Ergebnis, das schon vor Jahren herausgefunden wurde: Dass jedes Bein wie ein eigener Agent ist und abwechselnd eine Schwing- und Stemmbewegung ausführt. Und die Entscheidung, wann es das Bein anheben darf und somit den Körper nicht mehr unterstützt, wird gefällt, indem ich mit meinem Nachbarbein kommuniziere. Wenn ich sehe, dass meine direkten Nachbarn in der Luft sind, dann ist es eine schlechte Idee, wenn ich auch in die Luft gehe, weil dann die Gefahr besteht, umzufallen. Und um das zu verhindern, verlängert das Bein dann das Stemmen noch ein bisschen, bis der nächste sagt, ich bin am Boden und dann kann ich auch schwingen. Und wenn man solche einfachen lokalen Regeln zwischen den Beinen etabliert, dann habe ich nie eine feste Gangart. Das heißt, die Gangart, die ich dann beobachte, kommt aus dem Konzert dieser Einzelregeln heraus. Und dann kann es sein, dass das Insekt eine gewisse Zeit im Tripod läuft und wenn es langsam läuft, kann es sein, dass es sich in einer Wellengangart fortbewegt, wo ich ab und zu mal ein Bein bewege. Und da sieht man, dass der Laufrhythmus weniger starr ist. Das haben wir aus der Biologie gelernt. Da kann man sehen, wenn ich technisches Laufen machen möchte, ist es vielleicht schlau, in so eine Richtung zu gehen, anstatt etwas festlegen zu wollen. Wenn man sich bei menschlichen Babys anschaut, wie lange die brauchen, um sich koordiniert vorwärts bewegen zu können, da könnte man auch vermuten, dass sie viel probieren müssen, bis sie so ein Konzept von Laufen entwickelt haben oder lernen, was es erfordert, sich aufzurichten.

Jan Paskarbeit (links) und Axel Schneider mit HECTOR.

Jan Paskarbeit (links) und Axel Schneider mit HECTOR. © Roboterwelt

Britta Zachau: Sind auch Studenten an dem Projekt beteiligt?

Axel Schneider: Oh ja, es gab eine Zeit, wo einige dabei waren. Wir haben Studierende aus der technischen Fakultät, also Informatiker, wir hatten auch jetzt gerade noch einen sehr erfolgreichen Studenten aus der Biologie. Die probieren dann zum Beispiel verschiedene Konzepte in der Simulation aus. Wir hatten Studierende, die hier Bachelor- oder Masterarbeiten geschrieben oder Projektarbeiten gemacht haben. Da haben wir immer versucht, kleine Teilprobleme aus dem ganzen herauszuschälen und dann beantworten zu lassen. Die allererste Elektronik für die Antriebe haben wir mit einem Studierenden entwickelt. Das ist dann immer hilfreich, weil das auch wirklich Sachen sind, die dann aus der Sicht der Studierenden keine Übungen für die Tonne sind, sondern das Projekt auch wirklich weitergebracht haben.

Britta Zachau: Wir haben uns gewundert, dass es an der Universität Bielefeld ja gar keinen Robotik-Studiengang gibt…

Axel Schneider: Genau, die Robotik in Bielefeld wird sehr stark aus informatischer Sicht gesehen. Wir haben in der technischen Fakultät im Wesentlichen Informatikstudiengänge mit Spezialisierungen im Bereich der Robotik. Es gibt also viele robotikaffine Leute, die hierherkommen. Und wir sind hier in Bielefeld in der glücklichen Situation, dass sich die Fachhochschule und die Universität diesen technischen Bereichen nicht wegnehmen, sondern sich komplementär ergänzen. Wir haben in der technischen Fakultät an der Universität eine starke und diverse Informatikausbildung, während man die ganzen klassischen Ingenieurwissenschaften an der Fachhochschule findet. Wir konzipieren gerade einen neuen Studiengang, Biomechatronik, der wird höchstwahrscheinlich im kommenden Wintersemester starten. Da passiert also einiges.

Britta Zachau: Vielen Dank für das Gespräch!

Jan Paskarbeit, Britta Zachau von Roboterwelt und Axel Schneider mit HECTOR.

Nach einem interessanten Interview: Jan Paskarbeit, Britta Zachau von Roboterwelt und Axel Schneider mit HECTOR. © Roboterwelt


Warning: count(): Parameter must be an array or an object that implements Countable in /kunden/232550_14059/webseiten/rbwd/v2/ci/public_html/magazin/wp-includes/class-wp-comment-query.php on line 399