ETH-Roboterhund löst Zauberwürfel mit seinen Pfoten
Acht bis neun Minuten braucht «ANYmal» für einen vollständigen Durchlauf. Dabei muss der vierbeinige Roboter einen 4,6 Kilogramm schweren Würfel kontrolliert kippen, drehen und stabilisieren.
Mit einer Vorderpfote hält «ANYmal» den Würfel fest. Die anderen setzt er an, um zwei Ebenen um 90 Grad zu drehen. Anschließend wechselt er seine Position und beginnt mit dem nächsten Schritt. Das klingt einfach, verlangt dem vierbeinigen Roboter aber einiges an Geschicklichkeit ab.
Der Zauberwürfel misst 40 Zentimeter pro Kante. Bei den Versuchen gelang es «ANYmal» dreimal, ihn vollständig und ohne menschliche Hilfe zu lösen. Dafür benötigte er jeweils rund 30 Bewegungsschritte, darunter Würfeldrehungen und Positionswechsel. Das Forschungsteam der ETH Zürich hat seine Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Arbeit veröffentlicht.
Erst scannen, dann drehen
Bevor «ANYmal» loslegen kann, muss er die Farben des Würfels erkennen. Dafür läuft er um ihn herum und erfasst die sichtbaren Seiten mit seinen Kameras. Um auch die Unterseite zu sehen, kippt er den Würfel einmal um.
Aus den Aufnahmen rekonstruiert die Software die Position aller farbigen Felder. Auf dieser Grundlage berechnet der sogenannte Kociemba-Algorithmus eine Lösung mit möglichst wenigen Würfeldrehungen. Das Verfahren wurde von Herbert Kociemba entwickelt. Die Bewegungsplanung übersetzt die berechneten Drehungen in Aktionen, die «ANYmal» mit seinen Beinen ausführen kann.
Die Pfoten lernen neue Aufgaben
Die Bewegungen verlangen eine präzise Steuerung der Beine. «ANYmal» muss genügend Kraft aufbringen, um die Würfelebenen zu drehen. Gleichzeitig darf der Roboter weder das Gleichgewicht verlieren noch versehentlich weitere Ebenen verschieben.
Quelle: Robotic Systems Lab: Legged Robotics at ETH Zürich / Youtube
Um diese Bewegungen zu erlernen, setzen die Forschenden auf sogenanntes «Reinforcement Learning». Dabei trainiert eine KI die Bewegungsabläufe zunächst in einer virtuellen Umgebung. Durch wiederholte Versuche und Belohnungen für erfolgreiche Aktionen lernt sie, ihre Bewegungen gezielt zu steuern. Aus den Ergebnissen entwickeln die Forschenden eine Steuerung, die mit Kamerabildern und Sensordaten von «ANYmal» arbeitet.
Wie anspruchsvoll die Aufgabe bleibt, zeigen die Einzeltests. Beide Kippbewegungen gelangen jeweils 15-mal in 15 Versuchen. Bei Drehungen gegen den Uhrzeigersinn waren 13 von 15 Versuchen erfolgreich, im Uhrzeigersinn zehn.
Mehr als ein Zauberwürfel-Trick
In früheren Experimenten haben vierbeinige Roboter mit ihren Pfoten bereits Knöpfe gedrückt oder Türen geöffnet. Einen Zauberwürfel zu lösen, verlangt jedoch mehrere präzise aufeinander abgestimmte Bewegungen.
Die Forschenden wollen damit zeigen, wie Laufroboter ihre Beine künftig auch als Werkzeuge nutzen könnten. Denkbar wären etwa Aufgaben, bei denen ein Roboter Gegenstände festhalten, verschieben oder bedienen muss.
Die drei vollständigen Lösungen gelangen unter kontrollierten Bedingungen auf ebenem Untergrund. Einzelne Bewegungen testeten die Forschenden auch auf Kopfsteinpflaster und rutschigen Flächen. Dabei stieß der Roboter teilweise an seine Grenzen. Ob «ANYmal» vergleichbare Aufgaben auch zuverlässig im Alltag bewältigt, bleibt offen.
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