Verbundprojekt VIPE: Vierbeiniger DFKI-Laufroboter unterstützt Marserkundung im Roboterschwarm

Die Entwicklung eines heterogenen, autonomen Roboterschwarms zur Erforschung des Valles Marineris auf dem Mars steht im Mittelpunkt der Forschungsinitiative VaMEx (Valles Marineris Explorer) des DLR Raumfahrtmanagements. In dem nun als Teilprojekt dieser Initiative abgeschlossenen Verbundvorhaben VIPE entwickelte der von Prof. Dr. Dr. h.c. Frank Kirchner geleitete Forschungsbereich Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) eine den Schwarm ergänzende hominide Roboterplattform weiter, die sich kletternd über Felsen und steile Hänge hinwegbewegen kann.




Der bis zu sieben Kilometer tiefe Grabenbruch des Valles Marineris – das größte Grabenbruchsystem unseres Sonnensystems – ist für die Wissenschaft von großem Interesse. Aufgrund von Hinweisen auf Wasservorkommen, früherer vulkanischer Aktivität und der Abschattung von UV-Strahlung erfüllt er die Voraussetzung für die Existenz außerirdischen Lebens. Berge, Schluchten und Höhlen machen das Gebiet jedoch zu einem für die Exploration extrem komplexen Terrain. In der ersten Projektphase von VaMEx wurden zu dessen Erkundung Rover und flugfähige Vehikel als sich komplementär ergänzende Schwarmteilnehmer entwickelt, die eine effiziente Wegfindung und den Aufbau von Übersichtskarten ermöglichen.

Hominider DFKI-Laufroboter für den Einsatz in unebenen und unstrukturierten Terrain

Für eine umfangreiche Erforschung des Valles Marineris fehlte es bisher jedoch an einer Roboterplattform, die sich auch innerhalb der zerklüfteten Felsformationen fortbewegen sowie in Höhlen und Felsspalten vordringen und navigieren kann. Diese verbleibende Lücke im Schwarm schließt der vierbeinige hominide DFKI-Laufroboter „Charlie“, der in VIPE weiterentwickelt wurde. Die Kooperationspartner vom Lehrstuhl für Medientechnik der Technischen Universität München und der NavVis GmbH erarbeiteten im Projekt innovative Ansätze der vollautonomen Positionierung und Kartierung, die Charlie eine besonders driftarme Positionsbestimmung auch unter komplexen Bedingungen ermöglichen. Die Forscher des Robotics Innovation Center entwickelten zudem eine übergeordnete Netzwerkintelligenz, die je nach Terrain und Systemfähigkeiten entscheidet, welcher Roboter aus dem Schwarm zum Einsatz kommt.


Der vierbeinige Laufroboter "Charlie" erklimmt die künstliche Kraterumgebung in der Weltraumexplorationshalle des DFKI in Bremen.        
Der vierbeinige Laufroboter "Charlie" erklimmt die künstliche Kraterumgebung in der Weltraumexplorationshalle des DFKI in Bremen. (DFKI GmbH, Foto: Thomas Frank)

Hohe Mobilität dank reaktiver Bewegungssteuerung und „Footplacement“-Algorithmus

Aufgrund seiner leichten und hochintegrierten Bauweise, seiner Agilität und der taktilen Sensorik, welche die Bodenbedingungen erfassen, ist der DFKI-Roboter ideal für schwieriges Gelände geeignet. Die auf den Sensordaten basierende reaktive Bewegungssteuerung wurde in VIPE um weitere Verhaltensmodule erweitert, so dass sich Charlie auch über unebenen Untergrund sicher fortbewegen und Hindernisse überwinden kann. Dafür entwickelten die Wissenschaftler einen adaptiven „Footplacement“-Algorithmus, durch den sich mit Hilfe einer lokalen Karte für jedes Bein ein optimaler Fußkontaktpunkt finden lässt. Die eigentlich reaktive Laufsteuerung des Roboters wurde um eine planende Ebene ergänzt, die es erlaubt, Wertänderungen in Echtzeit auf das jeweilige Laufmuster der einzelnen Beine zu schreiben. Dies erweitert die Mobilität des Roboters insofern, dass er bei Unebenheiten oder vor Hindernissen nicht anhalten muss, um die nächsten Schritte zu planen. Selbst wenn sich der Untergrund nicht wie erwartet verhält – etwa wenn ein Hindernis, bei dem ein Fußkontakt in den Schrittzyklus eingeplant wurde, widererwartend nachgibt – ist der Roboter dank der permanent aktiven reaktiven Kontrollebene in der Lage, seine Bewegung stabil fortzusetzen.

Der DFKI-Laufroboter und der Rover der TU München als Schwarmteilnehmer.
Der DFKI-Laufroboter und der Rover der TU München als Schwarmteilnehmer (DFKI GmbH, Foto: Tobias Stark)

Das Projekt VIPE wurde vom 01. Mai 2015 bis zum 30. Juni 2018 von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Weitere Informationen
www.dfki.de/robotik/de/forschung/projekte/vipe.html

DFKI-Kontakt
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Robotics Innovation Center
E-Mail: Daniel.Kuehn@dfki.de
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