Entwurf und Implementierung eines Controller-Netzwerks für einen humanoiden Roboter

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Konstruktion eines verteilten Controller Networks zur Steuerung und Regelung eines humanoiden Roboters. Ein derartiges System sollte immer im Zusammenhang mit der zugrunde liegenden mechanischen Struktur gesehen werden, weshalb prinzipielle Betrachtungen und Designfragen bezüglich des menschlichen Skeletts und der menschlichen Anatomie einen wesentlichen Teil der Arbeit einnehmen um grundlegende Informationen zur Konstruktion einer anthropomorphen Struktur zu gewinnen. Ausgehend von der Beschreibung einiger wichtiger historischer Projekte von (humanoiden) Robotern wird versucht, durch Analyse mehrerer sowohl real existierender als auch (aus heutiger Sicht noch als futuristisch zu bezeichnenden) Applikationsszenarios die Entwicklung leistungsfähiger humanoider Roboter zu motivieren. Um eine Grundlage für die Entwicklung zu erhalten, werden die nach Meinung des Autors bedeutsamsten heutigen humanoiden Roboter an Hand der erhältlichen und verfügbaren Daten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit in realen Anwendungen, mit ihren überwiegend dynamischen Umweltbedingungen, analysiert. In einem weiteren Kapitel sollen Untersuchungen der wichtigsten menschlichen Sinne die Entscheidungen für die Verwendung konkreter Sensoren begründen, die diese Sinneswahrnehmungen mehr oder weniger effizient in technische Analoga umsetzen. Die Realisierung der skelettalen Strukturen basiert auf der Vorgabe, dass der zu realisierende humanoide Roboter in seinen Abmessungen in etwa jenen eines siebenjährigen mitteleuropäischen Kindes entsprechen soll, dass heisst, vor allem maximal 120cm gross sein darf. Damit werden in vielerlei Hinsicht zum Teil schwerwiegende Restriktionen eingeführt, die einen wesentlichen Einfluss auf die mechanische Gestaltung sowie das Design der elektronischen Komponenten und damit der zugrundeliegenden Steuerungskonzepte und -architekturen haben, die den Schwerpunkt des zweiten Teil dieser Arbeit bilden. Darin wird das Steuerungs- und Regelungssytem eines Humanoiden beschrieben, wobei das angestrebte Novum der hier entwickelten Architektur die extrem hohe Granularität des Rechnernetzwerks mit der daraus resultierenden Adaptivität, Fehlertoleranz und Redundanz ist. Als wesentlicher Unterschied zu den meist verwendeten Architekturen wird hier eine semi-hierarchische, dezentralisierte Architektur aus lose gekoppelten Rechnerknoten entwickelt. Diese Knoten führen sowohl relativ einfache Aufgaben wie die Regelung eines Gelenks, als auch hoch- bis höchstkomplexe Algorithmen, wie sie zum Beispiel die Planungskomponente in einer kognitiven Architektur realisiert, aus. Die hier entwickelte Architektur ermöglicht es somit auf relativ einfache Art und Weise, ein System aus vergleichsweise einfachen und grundlegenden Verhaltensweisen (kollisionsfreies Bewegen) durch Hinzufügen von entsprechender Rechenleistung und Software in Form von zusätzlichen Rechnerknoten schrittweise auf ein "intelligentes" Niveau zu heben (zum Beispiel die oben erwähnte Planungskomponente zur Berechnung und Evaluierung abstrakter Plan- bzw. Zielvorgaben).<br />Das zugrundeliegende Feldbussystem verbindet diese Knoten in einer gemischten Architektur, die sowohl Baum- als auch Linienstrukturen implementiert. Im wesentlichen wird jeder einzelne Körperteil (Gelenke) von einem eigenen Rechner lokal an Hand globaler Vorgaben gesteuert.<br />Damit können anstelle weniger sehr leistungsfähiger und damit teurer Rechner viele kleine, niedrig performante und damit billige Rechner verwendet werden. Auch ist die Erweiterung der Funktionalität des Gesamtsystems durch Hinzufügen zusätzlicher Knoten relativ einfach. Als leistungsbestimmendes Kommunikationsmedium wird der Auswahl und dem Einsatz eines hochperformanten Feldbussystems besonderes Augenmerk geschenkt.