Technology – Roboy 3.0

Roboter 3.0

Roboy 3.0 ist unser sehnengetriebener humanoider Roboter der dritten Generation.

Betätigung

Das Schlüsselelement der Betätigung von Roboy ist eine Muskeleinheit – ein vollständig im eigenen Haus entwickelter elastischer Serienaktuator. Roboys Bewegung basiert auf der antagonistisch-protagonistischen Muskelaktivierung. Die Muskeleinheiten gibt es in 2 Typen: M2 und M3. M2-Muskeleinheiten sind stärker und betätigen Nacken, Schultern, Ellbogen und Rumpf. M3-Muskeleinheiten haben einen kleineren Formfaktor und betätigen die Handgelenke.

Muskeleinheiten

Muskeleinheit M2

Serieller elastischer Aktuator, bestehend aus einem BLDC-Motor, der von einer Torsionsfeder umgeben ist, die an einer Dyneema-Sehne zieht, und einem Kraftsensor, der bis zu 300 N Sehnenkraft erzeugt; Steuermodi: PWM, Position und Kraft; Kundenspezifisches Motorboard mit TinyFPGA und Icebus-Schnittstelle

Muskeleinheit M3

Serieller elastischer Aktuator, bestehend aus einem Servo, der mit einer Schnur verbunden ist, die an einer Dyneema-Sehne zieht; Steuermodi: PWM, Position und Federweg; Icebus-Schnittstelle

Überblick über Gelenke

Nacken		3-DOF-Gelenk gesteuert von sechs M2s, Gelenkposition über ein Array von 3D-Magnetsensoren
Ellbogen		1 DOF Rollgelenk gesteuert durch zwei M2, Gelenkposition über magnetischen Winkelsensor
Schulter		3-DOF-Gelenk gesteuert von acht M2, Gelenkposition über ein Array von 3D-Magnetsensoren
Hand		9 DOF in den Fingern, gesteuert von vier Linearmotoren, keine Rückkopplung
Wirbelsäule		biegbarer Lenker, gesteuert von vier M2s, kein Feedback

Kontrolle

Roboy 3.0 ist ein ROS1-basierter Roboter (melodisch aufwärts).

Low-Level-Motorsteuerung

Eine zentrale Recheneinheit für die Low-Level-Motorsteuerung ist ein Terasic DE10-Nano Dev-Kit mit. Cyclone V SoC-FPGA. Sein Armkern läuft unter Ubuntu 16.04 und hostet den roboy_plexus ROS-Knoten, während sein FPGA über IceBus, ein benutzerdefiniertes RS485-basiertes Busprotokoll, mit allen Motoren kommuniziert und Sensordaten über I2C-Bus. Diese Einheit kommuniziert über RJ45 LAN mit dem Rest des Systems.

An jede IceBus-Linie können bis zu 8 M2-Muskeleinheiten angeschlossen werden. Jede Muskeleinheit ist mit einer benutzerdefinierten Motortreiberplatine ausgestattet. Jedes Board verfügt über ein FPGA, das den Motor-PID-Regler implementiert und Encoder-Werte ausliest (Motorposition und Drehung der Torsionsfeder). Verfügbare Motorsteuerungsmodi: positionPWMforce (in Entwicklung)

Kontrolle auf gemeinsamer Ebene

Die Steuerung auf gemeinsamer Ebene von Roboy 3.0 basiert auf Kartenfluss – ein Open-Source-Framework für Design, Simulation und Steuerung von kabelbetriebenen Robotern, das gemeinsam vom Labor von Prof. Darwin Lau an der CUHK und Devanthro entwickelt wurde.

CARDSflow berechnet die erforderliche Sehnenlänge, um einen gewünschten Gelenkwinkel zu erreichen. RVIZ- und RQT-Plugins sind verfügbar.

Inverse Kinematik

Während CARDSflow auch inverse Kinematik implementiert, wird derzeit Roboy 3.0 verwendet PyBullet für Berechnungen der inversen Kinematik aufgrund der überlegenen Leistung. PyBullet dient auch als großartige Simulationsumgebung.

Telepräsenz

Devanthro hat auch eine Teleoperationslösung zur Steuerung von Roboy 3.0 entwickelt. Es ermöglicht das Streamen verschiedener Modalitäten mit geringer Latenz zwischen dem Bediener und dem Roboter, wie zum Beispiel:

• bidirektionales Audio (30 ms Latenz)
• Stereokamerastream (250 ms Latenz)
• Blick- und Endeffektorsteuerung und -navigation (50 ms Latenz)

Das System funktioniert mit Oculus Quest. Die Datenübertragung basiert auf Animus-SDK entwickelt von Cyberselves Ltd.

Demo

Ganzes System

Blick- und Endeffektorsteuerung

Händedruck

Roboy 3.0 ist ein weiches und konformes System: In diesem Video ist deutlich zu sehen, wie der Empfänger die Roboterhand sicher schüttelt und die Bewegung des Bedieners außer Kraft setzt, wodurch der Händedruck sowohl für den Empfänger als auch für den Bediener natürlich wird.

Umarmung

Aufgrund der nachgiebigen und sicheren Art des Roboters übt er nur eine minimale Kontaktkraft auf den Empfänger aus, gerade genug, um die Umarmung zu spüren. Die Kalibrierung ist so eingestellt, dass die Hände maximal geschlossen sind, wenn sich die Bedienerin umarmt, und ihr dadurch ein haptisches Feedback über die Umarmung gibt – sowohl der Empfängerin als auch der Bedienerin ein Gefühl der Umarmung. (Der Selbstumarmung fehlt die Berührungskomponente auf dem Rücken des Bedieners und als solche ist sie nicht vollständig deckungsgleich mit der realen Erfahrung, umarmt zu werden, sie vermittelt immer noch eine gewisse haptische Rückmeldungskomponente).

Das ist unser aktueller Technologie-Stack …