Einsatz propriozeptiver Sensorik in der Bewegungssteuerung humanoider Roboter

Abstract

Der Einsatz humanoider Roboter für unterschiedliche Aufgabengebiete rückt mehr und mehr in den Fokus des industriellen Interesses. Gleichzeitig kann jedoch das Problem der Bewegungssteuerung eines solchen Roboters keineswegs als gelöst gelten. Diese Arbeit erforscht Algorithmen, zum Einsatz propriozeptiver Sensorik, um die Präzision und Robustheit der Bewegungssteuerung zweibeiniger Roboter weiter zu verbessern. Alle Untersuchungen werden auf Basis des kommerziell erhältlichen Roboters NAO durchgeführt, um anderen Forschern die Übertragung der Ergebnisse zu vereinfachen und so die Vergleichbarkeit und Aussagekraft der Forschungsarbeit zu erhöhen. Ein primärer Fokus der Arbeit liegt auf dem Einsatz von Sensorik zur Wahrnehmung des Zustandes des Systems Roboter. Für die Fortbewegung besonders hervorzuheben sind dabei das Gleichgewicht, die Position des Schwerpunkts und die Orientierung des Oberkörpers im Raum. Der NAO ist mit einer Vielzahl propriozeptiver Sensoren ausgestattet, die auf ihre Eignung zur Bestimmung dieser Faktoren untersucht werden. Ein abschließender Vergleich untersucht ihre Praxistauglichkeit für die Berechnung verschiedener Algorithmen. Besonders wird hierbei der Einfluss von Fehlerursachen unterschiedlicher Art auf die Bestimmung des Systemzustandes evaluiert. Auf Basis dieser eingehenden Untersuchung wird im Rahmen der Arbeit ein Regelalgorithmus für die Fortbewegung des NAO entworfen, der auf dem populären Invertierten-Pendel- Ansatz basiert. Zur Stabilisierung wird das Konzept um einen Preview-Regler mit Beobachter erweitert. Eine eingehende Erprobung der Praxistauglichkeit des Algorithmus erfolgt sowohl anhand eines Simulators, als auch am realen Roboter. Damit der Roboter auf Basis der Bewegung zielgerichtet zukünftige Aktionen planen kann, ist es unabdingbar die tatsächlich ausgeführte Bewegung zu verfolgen. Hierzu wird das Konzept der Odometriemessung von rollenden auf laufende Roboter übertragen und der Algorithmus praktisch evaluiert. Zur Reduktion des Odometriefehler wird ein neuartiges Verfahren in Form von optischen Sensoren in den Fußsohlen entwickelt und praktisch am NAO erprobt. Eine weitere Verbesserung der Bewegungsverfolgung der verspricht der abschließend vorgestellte Filteralgorithmus. Im Gegensatz zu den üblicherweise in der mobilen Robotik angewandten Filtertechniken wird das Problem nicht auf ein Einkörper-Problem reduziert, sondern durch explizite Betrachtung der Nebenbedingungen ein effizienter Mehr-Körper-Filter entworfen. Sensorinformationen einzelner Festkörper können dadurch unmittelbar in das Filter integriert werden. Der Divergenz des Systems über die Zeit wird durch Ausnutzung des Wissens über die kinematische Struktur begegnet. Eine Erprobung des Verfahrens erfolgt lediglich im Simulator, da es Evaluierung auf der aktuellen Hardware des NAO aus Gründen der CPU-Leistung nicht in Echtzeit möglich ist.