Ballbot - Ballbot
Ein Ball-Balance-Roboter, auch bekannt als Ballbot, ist ein dynamisch stabiler mobiler Roboter, der entworfen ist, um auf einem einzelnen kugelförmigen Rad ( dh einer Kugel) auszubalancieren . Durch seinen einzigen Kontaktpunkt mit dem Boden ist ein Ballbot omnidirektional und damit im Vergleich zu anderen Bodenfahrzeugen außergewöhnlich agil, wendig und organisch in der Bewegung. Seine dynamische Stabilität ermöglicht eine verbesserte Navigation in engen, überfüllten und dynamischen Umgebungen. Der Ballbot funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein umgekehrtes Pendel .
Geschichte
Der erste erfolgreiche Ballbot wurde 2005 von Prof. Ralph Hollis vom Robotics Institute der Carnegie Mellon University (CMU), Pittsburgh, USA entwickelt und 2010 patentiert Fußabdruck. Prof. Hollis und seine Gruppe an der CMU zeigten, dass der Ballbot robust gegenüber Störungen wie Tritten und Stößen sein kann und auch Kollisionen mit Möbeln und Wänden bewältigen kann. Sie zeigten, dass mit dem Ballbot eine Vielzahl interessanter physikalischer Interaktionsverhalten zwischen Mensch und Roboter entwickelt werden kann, und stellten Planungs- und Steuerungsalgorithmen vor, um mit dem Ballbot schnelle, dynamische und anmutige Bewegungen zu erzielen. Sie demonstrierten auch die Fähigkeit des Ballbots, autonom in menschlichen Umgebungen zu navigieren, um Punkt- und Überwachungsaufgaben zu erfüllen. 2011 wurde der CMU Ballbot um ein Paar Arme mit zwei Freiheitsgraden (DOF) erweitert, was ihn zum ersten und derzeit einzigen Ballbot der Welt mit Armen macht.
Im Jahr 2005, ungefähr zur gleichen Zeit, als der CMU Ballbot eingeführt wurde, präsentierte eine Gruppe von Forschern der Universität Tokio unabhängig das Design für einen von Menschen fahrbaren Ballbot-Rollstuhl, der auf einem Basketball namens "BB Rider" balanciert. Sie berichteten jedoch nur über das Design und präsentierten nie experimentelle Ergebnisse. Etwa zur gleichen Zeit stellte László Havasi aus Ungarn unabhängig einen weiteren Ballbot namens ERROSphere vor . Der Roboter balancierte nicht zuverlässig und es wurden keine weiteren Arbeiten präsentiert.
Seit der Einführung von CMU Ballbot im Jahr 2005 haben mehrere andere Gruppen auf der ganzen Welt Ballbots entwickelt. Prof. Masaaki Kumagai entwickelte BallIP 2008 an der Tohoku Gakuin University in Japan. Prof. Kumagai und seine Gruppe demonstrierten die Fähigkeit von Ballbots, Lasten zu tragen und für den kooperativen Transport verwendet zu werden. Sie entwickelten eine Reihe kleiner Ballbots und demonstrierten mit ihnen kooperativen Transport. Rezero wurde 2010 von einer Gruppe von Maschinenbaustudenten der ETH Zürich in der Schweiz entwickelt. Rezero betonte erneut die schnellen und anmutigen Bewegungen, die mit Ballbots erreicht werden können.
Tomás Arribas (Spanien) entwickelte 2008 als Masterprojekt an der Universität von Alcala den ersten Ballbot mit LEGO Mindstorms NXT. Er entwickelte ein Simulationsprojekt mit Microsoft Excel, um das System einfach zu simulieren. Als Teil der Forschung, die innerhalb der Weltraumforschungsgruppe der Universität Alcalá (SRG-UAH), Spanien, durchgeführt wurde, veröffentlichte das auf optimale Steuerung und Planung auf nichtlineare dynamische Systeme spezialisierte Arbeitsteam im Jahr 2012 den Artikel mit dem Titel " Ein Monoball-Roboter basierend auf LEGO Mindstorms“ Dieser Artikel beschreibt das mathematische Modell und die Flugbahnkontrolle als Grundlage für instabile und nichtlineare Kontrollsysteme.
Yorihisa Yamamoto (Japan), inspiriert von Tomás Arribas' Projekt, entwickelte 2009 einen Ballbot mit LEGO Mindstorms NXT. Er erstellte eine detaillierte Demo zum Bauen, Modellieren und Erstellen von Controllern mit MATLAB . Eine Gruppe von Maschinenbaustudenten der University of Adelaide (Australien) entwickelte 2009 sowohl einen LEGO Ballbot als auch einen Full-Scale Ballbot. Eine Gruppe von Studenten der ITMO University (Russland) stellte einen Algorithmus vor und konstruierte einen Ballbot basierend auf dem LegoNXT-Robotik-Kit, der Stabilität mit nur zwei verwendeten Aktuatoren durchgeführt. Videos auf YouTube zeigen Ballbots, die weltweit entwickelt wurden. Einige von ihnen wurden mit LEGO Mindstorms NXT entwickelt. Andere kundenspezifische Designs verwenden Omni-Räder, um den Ball zu betätigen.
Thomas Kølbæk Jespersen (Dänemark) entwickelte 2019 den Kugle-Ballbot als seine Abschlussarbeit. Der Kugle-Ballbot ist ein menschengroßer Ballbot, der im Rahmen eines laufenden Human-Roboter-Interaktions-Forschungsprojekts an der Universität Aalborg entwickelt wurde . Ausgestattet mit drei Motoren und Omniwheels , einem integrierten Intel NUC, zwei SICK-LiDARs, einem ARM-Mikroprozessor und einem Tablet auf der Oberseite ist der Roboter in der Lage, autonom in Innenräumen zu manövrieren und Personen zu führen. Die Masterarbeit verfolgt einen anderen Ansatz zur Systemmodellierung, indem ein nichtlineares quaternionenbasiertes dynamisches Modell abgeleitet wird, das verwendet wird, um einen nichtlinearen Gleitmodusregler zur Stabilisierung des Gleichgewichts und einen pfadfolgenden prädiktiven Regler für die Planung und Ausführung abzuleiten glatte Bahnen. Die vollständige Masterarbeit und alle Materialien, einschließlich MATLAB-Quellcode und C++-Controller-Implementierungen, sind auf GitHub öffentlich verfügbar.
Ballbots sind auch in der Science-Fiction-Welt aufgetaucht. Pixars Film Wall-E aus dem Jahr 2008 zeigte "MO" (Microbe Obliterator), einen Ballbot-Reinigungsroboter. Syfys TV-Serie Caprica aus dem Jahr 2010 zeigte "Serge", einen Ballbot-Butler-Roboter.
Motivation und Eigenschaften
In der Vergangenheit wurden mobile Roboter so konzipiert, dass sie statisch stabil sind, was dazu führt, dass der Roboter im Stillstand keine Energie aufwenden muss. Dies wird typischerweise durch die Verwendung von drei oder mehr Rädern auf einer Basis erreicht. Um ein Kippen zu vermeiden, haben diese statisch stabilen mobilen Roboter eine breite Basis für ein großes Stützpolygon und viel Eigengewicht in der Basis, um den Schwerpunkt zu senken . Sie neigen auch zu einer geringen Beschleunigung oder Verzögerung, um ein Umkippen zu vermeiden. Die breite Basis erschwert es statisch stabilen mobilen Robotern, in unübersichtlichen menschlichen Umgebungen zu navigieren. Darüber hinaus haben diese Roboter mehrere andere Einschränkungen, die sie für eine sich ständig ändernde menschliche Umgebung schlecht geeignet machen. Sie können weder in irgendeine Richtung rollen, noch können sie sich auf der Stelle drehen.
Der Wunsch, hohe und schmale mobile Roboter zu bauen, die nicht umkippen, führte zur Entwicklung von balancierenden mobilen Robotern wie dem Ballbot. Ein Ballbot hat im Allgemeinen einen Körper, der auf einem einzelnen kugelförmigen Rad (Kugel) balanciert. Es bildet ein unterbetätigtes System, dh es gibt mehr Freiheitsgrade (DOF) als unabhängige Steuereingänge. Der Ball wird direkt über Aktoren gesteuert , während der Körper keine direkte Kontrolle hat. Der Körper wird durch die Kontrolle des Balls um seinen instabilen Gleichgewichtspunkt aufrecht gehalten , ähnlich wie bei der Kontrolle eines umgekehrten Pendels . Dies führt zu begrenzten, aber ständigen Positionsverschiebungen des Ballbots. Der kontraintuitive Aspekt der Ballbot-Bewegung ist, dass sich der Körper nach vorne beugen muss, um sich vorwärts zu bewegen, und um sich nach vorne zu beugen, muss der Ball nach hinten rollen. All diese Eigenschaften machen es zu einer anspruchsvollen Aufgabe, die gewünschten Bewegungen des Ballbots zu planen. Um eine geradlinige Vorwärtsbewegung zu erreichen, muss sich der Ballbot nach vorne lehnen, um zu beschleunigen und sich nach hinten lehnen, um abzubremsen. Außerdem muss sich der Ballbot in Kurven neigen, um die Zentripetalkräfte zu kompensieren , was zu eleganten und anmutigen Bewegungen führt.
Im Gegensatz zu zweirädrigen, balancierenden mobilen Robotern wie dem Segway , die in eine Richtung balancieren, sich aber nicht in die seitliche Richtung bewegen können, ist der Ballbot omnidirektional und kann daher in jede Richtung rollen. Es hat keinen minimalen Wenderadius und muss nicht gieren , um die Richtung zu ändern.
Systembeschreibung
Wichtige Designparameter
Die grundlegendsten Konstruktionsparameter eines Ballbots sind seine Höhe, Masse, sein Schwerpunkt und das maximale Drehmoment, das seine Aktoren bereitstellen können. Die Wahl dieser Parameter bestimmt das Trägheitsmoment des Roboters, den maximalen Nickwinkel und damit seine Dynamik- und Beschleunigungsleistung und Agilität. Die maximale Geschwindigkeit ist eine Funktion der Aktuatorleistung und ihrer Eigenschaften. Neben dem maximalen Drehmoment wird der Nickwinkel zusätzlich durch die maximale Kraft begrenzt, die von den Aktuatoren auf den Boden übertragen werden kann. Daher spielen auch die Reibwerte aller an der Kraftübertragung beteiligten Teile eine große Rolle bei der Systemauslegung. Auch ist auf das Verhältnis des Trägheitsmoments des Roboterkörpers und seiner Kugel zu achten, um ein ungewolltes Durchdrehen der Kugel, insbesondere beim Gieren, zu verhindern.
Kugel und Betätigung
Die Kugel ist das Herzstück eines Ballbots, sie muss alle auftretenden Kräfte übertragen und tragen und dem mechanischen Verschleiß durch raue Kontaktflächen standhalten . Ein hoher Reibungskoeffizient seiner Oberfläche und eine geringe Trägheit sind unabdingbar. Der CMU Ballbot, Rezero und Kugle verwendeten eine hohle Metallkugel mit Polyurethanbeschichtung. BB Rider verwendete einen Basketball, während BallIP und Adelaide Ballbot Bowlingbälle verwendeten, die mit einer dünnen Gummischicht beschichtet waren.
Um das recht komplexe Problem der Kugelbetätigung zu lösen, wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Betätigungsmechanismen eingeführt. Der CMU Ballbot verwendet einen inversen Maus-Kugel-Antriebsmechanismus. Im Gegensatz zum herkömmlichen Mausball, der die Mausrollen antreibt, um Computereingaben bereitzustellen, verwendet der inverse Maus-Kugel-Antrieb Rollen, um den Ball anzutreiben, der eine Bewegung erzeugt. Der inverse Maus-Kugel-Antrieb verwendet vier Rollen, um die Kugel anzutreiben, und jede Rolle wird von einem unabhängigen Elektromotor angetrieben. Um eine Gierbewegung zu erreichen, verwendet der CMU Ballbot ein Lager, eine Schleifringbaugruppe und einen separaten Motor, um den Körper auf der Kugel zu drehen. Der LEGO Ballbot verwendete auch einen inversen Maus-Kugel-Antrieb, verwendete jedoch normale Räder, um den Ball anstelle von Rollen anzutreiben.
Im Gegensatz zu CMU Ballbot verwenden BallIP, Rezero und Kugle Omni-Wheels, um den Ball anzutreiben. Dieser Antriebsmechanismus erfordert keinen separaten Gierantriebsmechanismus und ermöglicht eine direkte Steuerung der Gierdrehung der Kugel. Im Gegensatz zu CMU Ballbot, das vier Motoren zum Antreiben des Balls und einen Motor für die Gierdrehung verwendet, verwenden BallIP, Rezero und Kugle nur drei Motoren für beide Vorgänge. Darüber hinaus haben sie nur drei Kraftübertragungspunkte im Vergleich zu vier Punkten beim CMU Ballbot. Da der Kontakt zwischen einem Omni-Wheel und der Kugel auf einen einzigen Punkt reduziert werden soll, sind die meisten verfügbaren Omni-Wheels aufgrund der Lücken zwischen den einzelnen kleineren Rädern, die zu einer unstetigen Rollbewegung führen, für diese Aufgabe nicht geeignet. Aus diesem Grund führte das BallIP-Projekt ein komplexeres Omni-Rad mit einer durchgehenden umlaufenden Kontaktlinie ein. Das Rezero-Team hat dieses Omni-Wheel-Design mit Rollenlagern und einer hochreibenden Beschichtung ausgestattet. Außerdem verbauten sie einen mechanischen Kugelfang, der die Kugel gegen die Aktoren drückt, um die Reibungskräfte weiter zu erhöhen, und eine Aufhängung zur Schwingungsdämpfung. Der Kugle-Roboter ist mit einer Schürze ausgestattet, die den Ball in Position hält, um zu verhindern, dass der Ball bei großen Neigungen herausgedrückt wird. Der Adelaide Ballbot verwendet Räder für seine LEGO-Version und traditionelle Omni-Räder für seine Originalversion.
Prof. Masaaki Kumagai, der BallIP entwickelt hat, stellte einen weiteren Kugelantriebsmechanismus vor, der teilweise gleitende Rollen verwendet. Das Ziel dieses Designs war es, eine 3- DOF- Betätigung am Ball unter Verwendung eines kostengünstigen Mechanismus zu entwickeln.
Sensoren
Um die Position und Körperausrichtung eines Ballbots durch ein Sensor-Computer-Aktor-Framework aktiv zu steuern, benötigt ein Ballbot neben einem geeigneten Mikroprozessor oder einer anderen Recheneinheit, um die notwendigen Regelkreise zu betreiben, grundsätzlich eine Reihe von Sensoren, die um die Orientierung des Balls und des Ballbot-Körpers als Funktion der Zeit zu messen. Um die Bewegungen der Kugel zu verfolgen, werden in der Regel Drehgeber (CMU Ballbot, BallIP, Rezero, Kugle) verwendet. Die Messung der Körperorientierung ist komplizierter und wird oft mit Hilfe von Gyroskopen (NXT Ballbots) oder allgemeiner einer Trägheitsmesseinheit (CMU Ballbot, BallIP, Rezero, Kugle) durchgeführt, die einen Beschleunigungsmesser , einen Gyroskop und möglicherweise einen Magnetometer enthält, dessen Messungen werden durch AHRS- Algorithmen mit der Körperorientierung verschmolzen .
Der CMU Ballbot verwendet einen Hokuyo URG-04LX Laser Range Finder , um sich selbst in einer 2D-Karte der Umgebung zu lokalisieren. Es verwendet auch den Laser-Entfernungsmesser, um Hindernisse zu erkennen und ihnen auszuweichen. Umgekehrt verwendet der Kugle-Roboter zwei SICK TiM571 2D- LiDAR , um sich selbst zu lokalisieren, eine Hindernisvermeidung durchzuführen und Personen zur Führung zu erkennen.
Waffen
Der CMU Ballbot ist der erste und derzeit einzige Ballbot mit Armen. Es verfügt über ein Paar 2- DOF- Arme, die von seriell-elastischen Aktuatoren angetrieben werden. Die Arme sind hohle Aluminiumrohre mit einer Vorrichtung zum Anbringen von Dummy-Gewichten an ihren Enden. In ihrem gegenwärtigen Zustand können die Arme nicht für signifikante Manipulationen verwendet werden, sondern werden verwendet, um ihre Auswirkungen auf die Dynamik von Ballbots zu untersuchen.
Systemmodellierung, Planung und Steuerung
Das mathematische MIMO-Modell, das benötigt wird, um einen Ballbot zu simulieren und einen ausreichenden Regler zu entwerfen , der das System stabilisiert, ist einem umgekehrten Pendel auf einem Karren sehr ähnlich . Der LEGO NXT Ballbot, Adelaide Ballbot, Rezero und Kugle beinhalten Aktormodelle in ihren Robotermodellen, während CMU Ballbot die Aktormodelle vernachlässigt und den Ballbot als Körper auf einer Kugel modelliert. Anfänglich verwendete CMU Ballbot zwei planare 2D-Modelle in senkrechten Ebenen, um den Ballbot zu modellieren, und verwendet derzeit 3D-Modelle ohne Gierbewegung sowohl für den Ballbot ohne Arme als auch für den Ballbot mit Armen. BallIP verwendet ein Modell, das die Abhängigkeit der Kugelposition von den Radgeschwindigkeiten und der Karosseriebewegung beschreibt. Rezero verwendet ein vollständiges 3D-Modell, das auch die Gierbewegung enthält. Kugle verwendet ein vollständig gekoppeltes Quaternion- basiertes 3D-Modell, das die Bewegung aller Achsen koppelt.
Die Ballbots (CMU Ballbot, BallIP, NXT Ballbot, Adelaide Ballbot, Rezero) verwenden lineare Feedback-Steuerungsansätze, um das Gleichgewicht zu halten und Bewegung zu erzielen. Der CMU Ballbot verwendet einen inneren Ausgleichsregelkreis, der den Körper in gewünschten Körperwinkeln hält, und einen äußeren Regelkreis, der die gewünschten Ballbewegungen erreicht, indem er Körperwinkel an den Ausgleichsregler angibt. Der Kugle-Roboter wird sowohl mit linearen Feedback-Controllern ( LQR ) als auch mit nichtlinearen Sliding-Mode-Controllern getestet , um die Vorteile seines gekoppelten dynamischen Quaternionenmodells zu demonstrieren .
Ein Ballbot ist ein formbeschleunigtes unterbetätigtes System. Der Neigungswinkel eines Ballbots wird somit dynamisch mit den resultierenden Beschleunigungen von Ball und Roboter verknüpft, was zu einem unterbetätigten System führt. Der CMU Ballbot plant Bewegungen im Raum der Körperneigungswinkel, um schnelle, dynamische und anmutige Ballbewegungen zu erzielen. Mit der Einführung der Arme verwendet CMU Ballbot sein Planungsverfahren, um sowohl den Raum der Körperneigungswinkel als auch der Armwinkel zu planen, um die gewünschten Ballbewegungen zu erzielen. Darüber hinaus kann es auch Fälle berücksichtigen, in denen die Arme auf bestimmte spezifische Bewegungen beschränkt sind und nur Körperwinkel verwendet werden müssen, um die gewünschten Ballbewegungen zu erreichen. Der CMU Ballbot verwendet ein integriertes Planungs- und Kontroll-Framework, um autonom in menschlichen Umgebungen zu navigieren. Sein Bewegungsplaner plant im Raum von Controllern, um eine anmutige Navigation zu erzeugen und Punkt-Punkt- und Überwachungsaufgaben zu erfüllen. Es verwendet den Laser-Entfernungsmesser, um sowohl statische als auch dynamische Hindernisse in seiner Umgebung aktiv zu erkennen und zu vermeiden.
Für Kugle wurde ein prädiktiver Controller (MPC) zur Wegplanung entwickelt, um die Neigungswinkel des Ballbots zu steuern, um einem bestimmten Weg zu folgen. Eine Pfadverfolgungsstrategie wird gegenüber üblichen Trajektorien- oder Referenzverfolgungssteuerungen gewählt, um dem vorübergehend fehlenden Verhalten von Ballbots aufgrund der unterbetätigten Natur Rechnung zu tragen. Der Pfad wird als Polynom parametrisiert und in die Kostenfunktion des MPC aufgenommen. Eine Reihe von Soft-Constraints sorgt dafür, dass Hindernisse vermieden werden und mit der gewünschten Geschwindigkeit vorangekommen wird.
Sicherheitsvorrichtungen
Die größte Sorge bei einem Ballbot ist seine Sicherheit im Falle eines Systemausfalls. Es hat mehrere Versuche gegeben, diesem Anliegen Rechnung zu tragen. Der CMU Ballbot führte drei einziehbare Landebeine ein, die es dem Roboter ermöglichen, nach dem Herunterfahren stehen (statisch stabil) zu bleiben. Es ist auch in der Lage, automatisch von diesem statisch stabilen Zustand in den dynamisch stabilen, ausgleichenden Zustand und umgekehrt überzugehen. Rezero verfügte über einen Überroll-Sicherheitsmechanismus, um bei einem Systemausfall ernsthafte Schäden zu vermeiden.
Mögliche Anwendungen
Aufgrund seiner dynamischen Stabilität kann ein Ballbot groß und schmal sein und auch physisch interaktiv sein, was ihn zu einem idealen Kandidaten für einen persönlichen mobilen Roboter macht. Er kann als effektiver Serviceroboter zu Hause und im Büro fungieren und den Menschen zB in Einkaufszentren und Flughäfen Orientierung bieten. Die heutigen Ballbots sind auf glatte Oberflächen beschränkt. Das Konzept des Ballbots hat viel Aufmerksamkeit in den Medien auf sich gezogen, und mehrere Ballbot-Charaktere sind in Hollywood-Filmen aufgetreten. Daher hat der Ballbot eine Vielzahl von Anwendungen in der Unterhaltungsindustrie, einschließlich Spielzeug.
Ballbot-Projekte
- Die Ballbot-Forschungsplattform der Carnegie Mellon University (CMU)
- BallIP an der Tohoku Gakuin University
- Rezero an der ETH Zürich
- Kugle von Thomas Kølbæk Jespersen an der Universität Aalborg (AAU)
- Ballbot an der University of Adelaide
- LEGO NXT Ballbot
- Paul ein depressiver Ballbot
- Simulation eines Ballbots in Gazebo