Einen laufenden Roboterhund bauen ...

Ingenieure des Computational Robot Design & Fabrication Lab (CREATE) der EPFL unter der Leitung von Prof. Josie Hughes entwickeln neue Wege zum Bau von Robotern mit noch nie dagewesenen Fähigkeiten. Beispielsweise nutzten Hughes und zwei andere Forscher ChatGPT, um einen Robotergreifer für die Tomatenernte zu entwickeln. Und Mickaël Achkar nutzte Motion-Capture-Daten von lebenden Hunden, um einen Roboter zu bauen. Genauer gesagt untersuchte Achkar die biologischen Mechanismen von Hunden, um ein intelligenteres Roboterdesign zu entwickeln und einen Prototyp zu bauen, der, sobald er in Bewegung gesetzt wurde, selbstständig laufen kann, ohne seine Motoren zu aktivieren.

„Ich wollte einen Roboter mit tierischen Eigenschaften entwickeln und dabei berücksichtigen, dass sich Tiere – wie Menschen – auf vielfältige Weise bewegen“, sagt Achkar. „Aber die meisten dieser Bewegungen werden nur von wenigen Gelenken ausgeführt.“ Daher ließ er sich bei der Entwicklung seines Roboters von den motorischen Kontrollprozessen der Tiere inspirieren.

Achkar hätte sich für fast jedes Tier entscheiden können – zum Beispiel eine Heuschrecke, eine Maus, einen Elefanten oder einen Geparden –, aber ein Hund erwies sich als die offensichtliche Wahl. „Wir haben einen riesigen Datensatz über die Bewegung von Hunden gefunden, der sogar als Open Source verfügbar war!“ er sagt. Der erste Schritt bestand darin, Daten über die synergistischen Bewegungen von Hunden zu extrahieren und die Daten dann mithilfe einer als Hauptkomponentenanalyse bekannten Methode so zu strukturieren, dass sie auf sinnvolle Weise „zusammengefasst“ werden konnten. Dies beinhaltete im Wesentlichen die Gruppierung der Daten in mehrere Vektoren, die die Hauptachsen der Hundebewegung beschreiben, und die Verwendung dieser Informationen, um genaue Spezifikationen für den Roboter festzulegen.

Metall, Riemenscheiben, Kabel und Schrauben

Achkars Roboterhund weist eine bilaterale Symmetrie auf. Jedes der vier Beine des Roboters hat drei Gelenke, und jedes Gelenk ist mit den anderen koordiniert. Diese letztere Funktion ist der zusätzliche Vorteil, der es Achkars Roboter ermöglicht, auf die gleiche Weise und mit der Agilität eines echten Hundes zu laufen. Um den Prototyp zu bauen, verwendete Achkar Metallstangen als Knochen, 3D-gedruckte Riemenscheiben als Gelenke, dünne Kabel als Sehnen und ein paar Schrauben, um alles zusammenzuhalten.

Um ihren Prototypen zu testen, kauften die Ingenieure ein Laufband. Sie fanden heraus, dass der Roboter, sobald er loslegte, autonom laufen konnte, ohne seine Steuermotoren aktivieren zu müssen. „Zuerst dachten wir, es könnte ein Zufall gewesen sein“, sagt Achkar. „Also haben wir das Design leicht geändert und den Roboter erneut getestet – und er konnte nicht mehr laufen.“ Am Ende fügte das Forschungsteam jedoch ein Gegengewicht, ähnlich einem Pendel, hinzu, damit der Roboter nach dem Start in Bewegung bleiben konnte. „Das Gegengewicht nutzt Resonanz, um Energie einzuspeisen“, sagt Achkar. Francesco Stella, Doktorand bei CREATE und Projektleiter, fügt hinzu: „Wir haben den Körper des Roboters so konzipiert, dass er automatisch reagieren kann, ähnlich wie eine Forelle automatisch zu schwimmen beginnt, wenn sie ins Wasser gelegt wird.“

Gelenke bewegen sich in Synergie

Dennoch sind die Steuermotoren des Roboters nützlich, um einen größeren Bewegungsbereich zu erreichen. So kann er ohne Gegengewicht springen und Hindernisse überwinden. „Wir würden unser Design mit den Motoren gerne weiter vorantreiben, aber im Moment ist der Prototyp nicht sehr robust“, sagt Achkar. Das hielt ihn jedoch nicht davon ab, den mechanischen Hund auf die Probe zu stellen, indem er beispielsweise einen Stock zwischen seine Beine steckte, um zu sehen, wie er reagieren würde. Unbeeindruckt setzte der Roboter automatisch seinen anmutigen Galopp fort. Und auf dem Laufband erreicht er problemlos eine Geschwindigkeit von 6 km/h.

„Unser Ziel ist es nicht, mit Ultra-High-Tech-Roboterhunden zu konkurrieren, sondern vielmehr bioinspirierte Roboterdesigns zu erforschen“, sagt Achkar. „Dazu gehört es, das grundlegende Design eines Roboters zu verfeinern und seine passiven Eigenschaften so zu modifizieren, dass nur einfache Steuerungssysteme erforderlich sind – und das alles bei gleichzeitiger Maximierung der Fähigkeiten des Roboters. Was wir hier gemacht haben – die Gelenke so zu konstruieren, dass sie synergetisch arbeiten – hat sich bereits bei der Herstellung von Roboterhänden und anderen Körperteilen als nützlich erwiesen.“

Achkar hat seine Forschungsarbeit bei einer wissenschaftlichen Zeitschrift zur Veröffentlichung eingereicht und sie soll in den kommenden Monaten erscheinen. Nachdem er nun seinen Master in Robotiktechnik abgeschlossen hat, plant Achkar, nach Montreal zurückzukehren. Er kam aus Kanada an die EPFL, nachdem er an der McGill University einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau erworben hatte. Warum hat er sich für die EPFL entschieden? Weil es eine hervorragende Ausbildung bot und im französischsprachigen Teil Europas lag. Es gab ihm auch die Chance, die spannende Welt der Robotik zu entdecken.

Weitere Informationen unter https://news.epfl.ch