---

Nieuws

print

09-06-2009

Team Dutch Robotics is er klaar voor

Martijn Wisse & Pieter Jonker

Nederland heeft ontzettend veel roboticakennis in huis. Het is de hoogste tijd dat we dit bundelen en de wereld laten zien waar we toe in staat zijn. Daarom hebben we een nationaal team opgericht om mee te doen met de meest complexe van alle Robo Cup-wedstrijden: de ‘teen-size humanoid league’. Mens achtige robots van minimaal één meter lengte spelen volledig autonoom een potje voetbal.

 

De bundeling van robotica-activiteiten komt goed op gang in Nederland,onder andere via het RoboNED netwerk onder leiding van Prof. Steinbuch, en via de 3TU federatie. Deze federatie van de Technische Universiteit Delft, Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Twente is de initiatiefnemer van het Team Dutch Robotics. Inmiddels wordt het project gesponsord door Philips, Sogeti, StuD fonds, Maxon Motor, en Controllab Products. Er werken, naast mensen van de 3TU’s, ook studenten aan mee van de Haagse Hogeschool, Hogeschool Utrecht en ROC Mondriaan. En zodra de hardware van de robots voldoende verfijnd is, wordt het hoog tijd dat ook Artificial Intelligence onderzoeksgroepen mee gaan doen. Een landelijk project met een zeer hightech uitstraling.

 

 

Uitdagingen
De robots zijn een technologisch hoogstandje op verschillende vlakken.Eén van de grote uitdagingen was om veel vrijheidsgraden in een lichtgewicht autonoom systeem te krijgen. Om te lopen, schieten en kiepen, heeft een robot minstens zes vrijheidsgraden per been nodig. Met nog twee vrijheidsgraden in de armen (om op te kunnen staan), komt het totaal op veertien. Het gewicht van alle motoren, versterkers, en electronica moet zo laag mogelijk blijven. Uiteindelijk weegt de totale robot achttien kilogram, waarvan zes kilogram voor de mechanische delen, zes voor de motoren, evenals zes kilogram voor de rest. Dat is twee tot drie keer lichter dan de bekende Japanse humanoids van Honda, Toyota, en Kawada. De robot wordt aangestuurd door een industriële PC (PC104) met een 1 GHz processor. Het besturingssysteem is Linux met de Xenomai realtime kernel extension. De PC104 heeft een aantal insteekkaarten voor de sensor inputs en motor outputs. Zodoende is de PC104 een data-acquisitie systeem en pc in één. Alle regelkringen lopen via de PC104 op 1 kHz. Voor de toekomst werkt Philips aan lokale controllerbordjes die via USB worden aangestuurd en waarvan er één per ledemaat gebruikt zou kunnen worden. Alle software is geschreven in C++, waarbij we voor een klein deel bouwen op het framework “RoboFrame” van de Technische Universiteit in Darmstadt, één van de deelnemers aan de Humanoid Kid-size League. De aandrijving van de benen gebeurt door middel van ‘series elastic actuation’. Deze uitvinding van het MIT is bijzonder geschikt voor het leverenv an een goede krachtregeling. De gelijkstroommotor met tandwielkast (Maxon) drijft een katrol aan, vanwaar twee kabels naar het gewricht lopen (om twee kanten op te kunnen aandrijven). In de kabels zijn voorgespannen veren gemonteerd, dit is de seriele elasticiteit. De hoek van de motor komt dus niet overeen met de hoek van het gewricht, want de veren kunnen meer of minder uitrekken. Het hoekverschil wordt gemeten met sensoren in de motor en in het gewricht, en via de veerstijfheid kan
zo het koppel worden berekend. Met de juiste terugkoppeling levert dit een mooie krachtregeling. De werking daarvan is het best te zien als hij naar nul regelt. De robot hangt in zijn standaard, iemand tilt zijn been naar voren, en als hij loslaat, slingert het been heen en weer alsof het een menselijk (slap) been is. Je merkt niets van de tandwielkast die bij de Japanse concurrent voor zeer veel wrijving en demping zorgt. De grote voordelen van series elastic actuation zijn de soepele, natuurlijke beweging,
de bescherming van de tandwielkast tegen schokken (elke stap weer), en de nauwkeurig bekende koppels op de scharnieren. Het lijkt een nadeel dat de positienauwkeurigheid wat minder is, maar hoe belangrijk is het om tijdens het lopen je been op de millimeter nauwkeurig te bewegen? Een werkelijk nadeel is dat het wel iets lastiger is om een goede
regeling te ontwerpen voor series elastic actuation, maar daar draait een team van drie technische universiteiten zijn hand niet voor om!

 

Strategieën
Om snel, stabiel en efficiënt te kunnen lopen, zijn er verschillende regelstrategieen. De Technische Universiteit Delft staat bekend om ‘limit cycle walking’, waarbij de loopbeweging zoveel mogelijk als een serie voorwaartse vallen wordt gezien. Dit ziet er erg natuurlijk uit, kan extreem zuinig zijn, en biedt veel perspectief voor effectief voetballende robots. Maar ieder voordeel heeft een nadeel, en dat is hier ook het geval. Het is moeilijk om de voorwaartse valbeweging goed gecontroleerd te laten verlopen. Daarom onderzoekt de Technische Universiteit Eindhoven in hoeverre de Japanse aanpak van nut is; hier wordt juist de beweging volledig op positie gecontroleerd. Het optimum ligt natuurlijk in het midden: voor snel lopen de Delftse aanpak, voor stilstaan, starten, en keren de Eindhovense. Het is erg belangrijk om deze mix goed van te voren uit te kunnen proberen zonder steeds de robot ermee te belasten. Daarom werkt de Universiteit Twente aan een nauwkeurige simulatie in 20sim. Het huidige visionsysteem voor de humanoïde robot is een feature-based stereo visionsysteem en bestaat uit twee kleine VGA camera’s en een formfactor GMS camera. De camera’s zijn op een vaste afstand van elkaar gemonteerd op het hoofd van de robot. Ze zijn gebaseerd op kleine 600 MHz ARM processorbordjes ter grootte van een luciferdoosje elk, van het merk ‘virtual cog’. Het herkennen van de bal gaat via kleurensegmentatie links en rechts apart, de plaats waar de bal de vloer raakt wordt bepaald (oranje-groen overgang) en er wordt een Region of Interest (ROI) ter grootte van de bal bepaald. Als de grootte van de bal bij de robot bekend en gecalibreerd is, én aangenomen is dat de bal op de vloer ligt, dan is de
grootte een maat voor de afstand van de bal. Maar ook kan, na calibratie van het stereosysteem, de afstand naar de bal gevonden worden door het raakpunt van de bal met de vloer in linker- en rechterbeeld met elkaar te vergelijken. Vervolgens kan door triangulatie de diepte worden bepaald. Alle bewerkingen op pixelniveau vinden voor zowel de linker- en rechtercamera plaats in de ARM processoren. Positie, grootte en label (zoals bal, doel of lijn) van een gevonden ROI worden vervolgens via een USB-lijn naar de centrale robotprocessor gevoerd. Hier wordt de positie van de voorwerpen in de 3D-ruimte bepaald door triangulatie, en wordt eveneens de assentransformatie van de nek van de robot weggerekend. De nek heeft twee assen in voorwaartse richting, zodat de robot op zijn voeten kan kijken en één as zijwaarts, zodat hij links en rechts kan kijken. Vóór het jaar 2010 wordt de robot uitgerust met beweegbare oogjes, zodat ook salliantiedetectie gebruikt kan worden. De ogen (en het hoofd volgt als slaaf) richten zich dan alleen op interessante objecten in het beeld. Waarvan de bal er één is: de bal is oranje, fel gekleurd en beweegt.

 

Terug