Humanoider Roboter Gretchen

Work on the robot gretchen.

Angelehnt an biologische Systeme gewinnt die Forschung an verkörperter Künstlicher Intelligenz (Embodied AI) zunehmend an Signifikanz. Biologische Systeme sind inhärent dezentral aufgebaut wobei einzelne Teile des Körpers über eigene Intelligenz verfügen. Intelligentes Verhalten entsteht erst dann aus dem Zusammenspiel einzelner Komponenten und der Interaktion mit der Umgebung. Daher ist der Körper ein unerlässlicher Teil bei der Forschung nach Intelligenz. Besonders interessant sind dabei die humanoiden Roboter, welche immer noch schwer zugänglich, mit hohen Kosten verbunden und oft von den Wissenschaftlern selbst entwickelt werden müssen, wodurch der Nutzerkreis eingeschränkt wird. In diesem Projekt entwickeln wir einen humanoiden Roboter “Gretchen” für Forschung und Lehre. Der Fokus liegt auf der Offenheit von Hard- und Software, sowie der Zugänglichkeit für fachfremde Forscher. Prototypen des Roboters existieren und werden bereits in Lehrveranstaltungen der HU eingesetzt.

The Gretchen Robot.

Der Gretchen-Roboter ist eine vielseitige Plattform für die Ausbildung, da sein modularer Aufbau das Arbeiten und Experimentieren durch Hardware-Design, Aktuatoren, 3D-gedruckte Komponenten, Firmware, Stromversorgung, Kommunikationsbus, Software-Bibliotheken oder die API ermöglicht.

Die Hardware Eigenschaften des Gretchen Roboters:
  • Höhe - 74 cm

  • Gewicht - 5 kg

  • 10 Freiheitsgrade (DoFs) - 5 Freiheitsgrade in jedem Bein:

    • 2 in der Hüfte (Roll und Pitch)

    • 1 im Knie (Pitch)

    • 2 in der Knöchel (Roll und Pitch).

  • Die Körperteile bestehen aus kostengünstigen Materialien wie Holz und 3D-gedruckten Bauteilen, deren CAD-Dateien auf GitHub zu finden sind.

  • Der Roboter wird von 10 kostengünstigen Hitec HS-805MG Mega-Servomotoren angetrieben, deren Hauptmerkmale sind:

    • Spannungsbereich - 4.8V - 6V

    • Geschwindigkeit bei 6 Volt - 71 rpm

    • Drehmoment bei 6 Volt - 2,4 Nm

    • Gewicht - 197 g

The Gretchen Robot.

  • Die Motoren werden von Sensorimotor Platinen angetrieben, die die kostengünstigen Servomotoren mit weiteren Funktionen ergänzen:

    • Spannungsbereich - 6V - 12V

    • Drehmoment bei 12 Volt - cca. 5 Nm

    • Eingebaute Sensoren - Position, Strom, Spannung, Temperatur, externe Messungen über I2C

    • Programierbarer Mikrokontroller ATmega328P 16MHz

    Im rechten Bild ist eine Sensormotorplatine mit allen elektronischen Komponenten dargestellt, die darauf gelötet werden sollen: Elektrolytkondensator, 2 Busbuchsen, I2C-Stecker, 6-poliger ISP-Header, Temperatursensor.

The Gretchen Robot.

  • Die Servos befinden sich entweder über oder unter den Gelenken des Roboters und sind mit Zahnriemen (siehe Bild unten rechts) mit ihnen verbunden. Diese Riemen gewährleisten eine indirekte Übertragung zwischen den Gelenken und den Motoren, wodurch die Verbindung zwischen ihnen elastischer wird und die Motoren vor der direkten Beschädigung schwerer Lasten geschützt werden.

  • Die Füße, Beine und die Hüfte können mit 3D-gedruckten Schalen bedeckt werden, um die Motoren, Kabel und das Gurtsystem vor Kollisionen zu schützen.

Die Software Eigenschaften des Gretchen Roboters:
  • Die Aktuatoren kommunizieren miteinander über den seriellen RS485-Bus und mit dem Computer - über einen USB-zu-Seriell-Adapter.

  • Die Bewegung des Roboters kann sowohl mit Positions- als auch mit Drehmomentsteuerung programmiert werden. Die Libsensorimotor-Bibliothek bietet eine Implementierung eines PID-Reglers, bei dem es sich um einen Positionsregelungsmechanismus handelt.

Aktuelle Projekte:

Der Gretchen Roboter wird im Rahmen des Semesterprojekts "Humanoide Roboter" weiterentwickelt und verbessert. Die Studenten arbeiten aktuell an den folgenden Aufgaben:

  • Hardware Ergänzung: das dritte Freiheitsgrad (Yaw) im Hüftengelenk einbauen

  • Simulation des Gretchen Roboters in Webots

  • Erweiterung der Firmware