Roboterhund erklimmt senkrechte Wände durch "Chimney Climbing"

Ein Wissenschaftsteam des Jouhou System Kougaka Laboratory (JSK) der University of Tokyo haben den vierbeinigen Roboter Kleiyn entwickelt, der zwei gegenüberliegende senkrechte Wände mittels "Chimney Climbing"-Technik nur mit seinen Beinen und Füßen erklimmen kann. Der Roboterhund besitzt im Gegensatz zu herkömmlichen robotischen Vierbeinern in der Rückenmitte ein Gelenk, um das Kunststück zu schaffen.

Der vierbeinige Roboterhund Kleiyn ist 76 cm lang und bringt rund 18 kg auf die Waage. Er verfügt über 13 Gelenke. Eines davon befindet sich in der Mitte des Rückens, wie die Forscher in der Studie "KLEIYN : A Quadruped Robot with an Active Waist for Both Locomotion and Wall Climbing" schreiben, die im Preprint auf Arxiv erschienen ist. Das Gelenk ermöglicht dem Roboter, seinen Rücken durchzubeugen, um mittels der Technik des "Chimney Climbing" ("Kaminkletterns") zwei gegenüberliegende Wände zu besteigen.

Die Wissenschaftler setzen diese Technik ein und sparen sich dadurch krallenartige Füße, die zwar besseren Halt ermöglichen würden, mit denen der Roboterhund aber nur noch schwierig laufen könnte. Zum Klettern postiert sich der Roboter zwischen zwei parallel verlaufende, senkrechte Wände, die er mit seinen Füßen erreichen können muss. Die Füße setzt der Roboterhund zwischen den Wänden an und stützt sich so zwischen ihnen ab. Über das Entlasten und Durchdrücken des Rückens und der Beine bewegt er sich schrittweise an den Wänden nach oben.

Nach Angaben der Wissenschaftler erreicht der Roboter dabei eine Steiggeschwindigkeit von 0,15 bis 0,17 m pro Sekunde. Voraussetzung ist, dass die Wände einen Abstand zwischen 0,8 und 1 m voneinander haben. Bei höheren Breiten verursachen die Drehmomentbegrenzungen der Motoren Probleme. Trotzdem ist Kleiyn damit wohl der schnellste Kletterroboter seiner Art. Der bisherige Rekordhalter, der sechsbeinige Roboter SiLVIA des Robotics & Mechanisms Laboratory (RoMeLa), bewegt sich etwa mit einem Fünfzigstel des Tempos.

Klettern lernen durch Reinforcement Learning

Die nötigen Bewegungen erlernte der Roboter zunächst in einer Simulation über Reinforcement Learning (RL). Mittels einer speziellen Trainingsmethode, dem Contact Guides Curriculum Learning (CGCL), wurde Kleiyn beigebracht, schrittweise den Übergang zwischen dem flachen Boden und der vertikalen Fläche zu meistern. Das verwendete Trainingssystem Asymmetric Actor-Critic RL ermöglicht dem Roboter, aus Simulationsdaten zu lernen, die nur grundlegende Sensoren der realen Anwendungen berücksichtigen.

Der Roboterhund hat allerdings noch etwas Verbesserungsbedarf. So bewegt er sich beim Emporklettern seitwärts. Die Forscher vermuten, dass eine bessere Umgebungserkennung, etwa durch Lidar, nötig ist, um dieses Problem abzustellen. Außerdem erhitzen die verwendeten Direktantriebsmotoren bei längeren Kletterpartien. Die Forscher wollen das noch durch eine bessere Lastverteilung korrigieren.

(olb)