Lauron

Der biologisch motivierte sechsbeinige Laufroboter LAURON wurde am FZI Forschungszentrum Informatik entwickelt, um statisch stabiles Laufen in unebenem Gelände zu untersuchen. Mit seiner robusten Mechanik, der hohen Mobilität durch die zahlreichen Freiheitsgrade sowie seiner Sensorik ist LAURON optimal ausgerüstet für Inspektions- und Serviceaufgaben in unstrukturierten, unwegsamen oder für den Menschen gefährlichen Gelände.

Walking Robot LAURON V at Taranis Field Exercise
Laufroboter LAURON V

Anfang der 90er Jahre wurden in der Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS) am FZI erste grundlegende theoretische und modellbildende Untersuchungen zum sechsbeinigen Laufen durchgeführt. Im Jahr 1994 wurden der erste lauffähige Roboter LAURON (LAUfender ROboter Neuronal gesteuert) als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde auf der CeBIT Hannover der Öffentlichkeit vorgestellt. Die Forschung konzentrierte sich in den ersten Jahren auf das Laufen in unwegsamen und schwierigen Umgebungen. Neben der eigentlichen Robotersteuerungssoftware wurden auch die Mechanik und Sensorik stetig weiterentwickelt. Die aktuellste Generation, LAURON V, wurde im Jahr 2013 fertig gestellt. Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf die Steigerung der Autonomie,  komplexe Navigationsaufgaben inklusive der Kartierung der Umwelt, Manipulation mit den Vorderbeinen und energieeffizientes, sicheres Laufen.

Die Konstruktion der Laufmaschine LAURON orientiert sich an dem biologischen Vorbild der Stabheuschrecke. Wie dieses Vorbild besitzt sie sechs Beine an einem länglichen Zentralkörper, in dem die notwendige Steuerungselektronik untergebracht ist. Jedes der sechs identischen Beine kann mit der Hilfe von vier Gelenken bewegt werden. Zusätzlich kann die Blickrichtung des Kopfes durch zwei unabhängige Achsen (roll, pitch) verändert werden, so dass LAURON insgesamt über beachtliche 26 Freiheitsgrade verfügt.

LAURON wurde mit zahlreichen Sensorsystemen ausgestattet. In jedem Fuß befinden sich 3D-Kraftsensoren und Feder-Dämpfer-Systeme, die zusammen mit einer Motorstrommessung genutzt werden, um Kollisionen und den Kontakt mit dem Boden zu erkennen. Die Orientierung des Roboters im Raum und die Position werden über einen Neigungssensor bzw. GPS-Sensor bestimmt. Zwei Kamerasysteme, ein Stereo- und eine Infrarot-Kamera, auf dem Kopf und ein 3D-Laserscanner auf Rücken liefern Informationen über die Umgebung des Roboters. Das Sensorsetup kann je nach Aufgabe schnell und flexibel angepasst werden. Die Gelenkwinkel der Beine werden durch hochpräzise, optische Encoder erfasst. Zudem verfügt jeder Motor über einen weiteren Encoder, der zusätzliche Informationen über die Gelenkwinkel liefert.

Die Bewegungen der sechs Beine und des Kopfes werden mit der Hilfe von sogenannten UCoMs (Universal Controller Module) gesteuert. Jedes dieser insgesamt neun UCoMs verfügt unter anderem über einen eigenen DSP und FPGA. Alle UCoMs sind über einen CAN-Bus miteinander und mit dem Steuer-Rechner (Mini-ITX System) verbunden. Neben der PWM-basierten Motoransteuerung werden die UCoMs eingesetzt, um zahlreiche Sensoren (3D-Kraftsensoren, optische Gelenk-Encoder,…) auszulesen.

Die Steuerungssoftware des Roboters LAURON kann in mehrere hierarchische Ebenen unterteilt werden. Die unterste Ebene ist die sehr hardwarenahe UCoM-Ebene. Auf dieser Ebene werden die Gelenke mit der Hilfe einer Geschwindigkeits-Kaskaden-Regelung, die auf den DSPs ausgeführt wird, zu den gewünschten Sollwinkeln bewegt. Die Sollwinkel werden in der weiter oben liegende HAL-Ebene (Hardware-Abstraction-Layer) aus Bewegungstrajektorien berechnet. Die HAL-Ebene wurde im MCA2-Framework implementiert und wird auf dem Steuer-Rechner, der sich im Aluminium-Skelette des Zentralkörpers befindet, ausgeführt. Neben den kinematischen Berechnungen werden in dieser Ebene zahlreiche Sensordatenvorverarbeitungen durchgeführt. Oberhalb dieser Ebene befindet sich die eigentliche Robotersteuerung. Diese verhaltensbasierte Steuerung erzeugt die Bewegungstrajektorien für die Beine, koordiniert die Laufmuster und generiert die stabilisierenden Ausgleichsbewegungen des Zentralkörpers. Die verhaltensbasierte Steuerung, sowie sämtliche auf dieser aufbauende Softwareebenen, wie z. B. die Umweltmodellierungs-, Lokalisierungs-, Navigations- und Missionssteuerungsebene, wurden ebenfalls im MCA2-Framework implementiert und werden entweder zusammen mit der HAL-Ebene auf dem Steuer-Rechner ausgeführt.

Die Laufmaschine LAURON eignet sich mit ihrer robusten Hardware, anpassungsfähigen verhaltensbasierten Steuerung und den zahlreichen Sensorsystemen sehr gut für Inspektions- und Serviceaufgaben in unstrukturierten, unwegsamen oder für den Menschen gefährlichen Geländearten. Solche Aufgaben können das Räumen von Landminen, die Erkundung von Vulkanen oder die Suche nach Verschütteten im Rahmen von Search-and-Rescue Missionen in der Folge von Naturkatastrophen sein.

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Wikipedia Artikel

Bildergalerie Laufroboter LAURON

Walking Robot LAURON 3 in Spain
Laufroboter LAURON 3
Walking Robot LAURON 4 in Nature
Laufroboter LAURON 4
Walking Robot LAURON 5 in the Field at Taranis
Laufroboter LAURON 5
Walking Robot LAURON 4 at Sand Incline
Laufroboter LAURON 4
Walking Robot LAURON 4 in Park
Laufroboter LAURON 4
Walking Robot LAURON 4 in Front of Palace
Laufroboter LAURON 4
Walking Robot LAURON 4 at Lake
Laufroboter LAURON 4
Walking Robot LAURON 4 in Snow
Laufroboter LAURON 4
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Laufroboter LAURON V auf der Taranis 2013

LAURON IVc läuft in unstrukturiertem Gelände

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Arne Rönnau

Abteilungsleiter

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Werdegang

Arne Rönnau studierte von 2002 bis 2008 Elektrotechnik und Informationstechnik an der Universität Karlsruhe (TH). Die Schwerpunkte des Studiums lagen in den Bereichen der Regelungs- und Steuerungstechnik sowie Robotik. Seine Diplomarbeit befasste sich mit der Steuerung und 3D-Umweltmodellierung für den sechsbeinigen Laufroboter LAURON. Diese führte er in Kooperation mit der Technischen Universität Karlsruhe in der Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS) am Forschungszentrum Informatik (FZI) durch. Seit November 2008 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung IDS und arbeitet an der Optimierung von technischen Laufvorgängen (Laufroboter LAURON), 3D-Datenerfasssung und Umweltmodellierung sowie der Entwicklung innovativer Serviceroboter.

Seit April 2011 leitet er die Abteilung Interaktive Diagnose- und Servicesysteme (IDS).

Publikationen

Meine Veröffentlichungen sind in meinem Google Scholar Profil zu finden.

Kontakt

Telefon: +49 721 9654-228
Fax: +49 721 9654-229
E-Mail: roennau@dont-want-spam.fzi.de

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