Elf Fragen, um das Robotermarathon in Yizhuang zu verstehen

Vor der Ziellinie im Nanhaizi-Park in Yizhuang, Peking.

Der „Tiangong Ultra“ raste sicher zur Ziellinie. Kameras, Blicke und Klickgeräusche konzentrierten sich alle auf ihn. Beim halben Marathon für humanoide Roboter in Yizhuang, Peking, im vergangenen Jahr hatte er mit einer Zeit von 2 Stunden, 40 Minuten und 42 Sekunden gewonnen und war der Sieger der Veranstaltung gewesen.

Aber in heutigen Rennen fuhr er nach dem Linienberührung nicht geradeaus, bremste nicht ab und hielt nicht an. Sein Körper wechselte leicht die Richtung und fuhr direkt in den Straßenrandgarten. Die Ingenieure eilten ihm zu Hilfe und trugen ihn mit einer Trage vom Laufkurs.

Die Zuschauer meinten lachend: „Der Roboter ist auch von dem Sieg betört.“

Niemand weiß, ob er von der Menschenmenge seinen Blick verstellt bekam und die Ziellinie fälschlicherweise als Hindernis einstufte oder ob die Navigation im letzten Moment fehlerhaft war. Dieser Moment war kurz und überraschend und zeigte genau die ungeschönte Realität der Robotikbranche - Fortschritt und Unkontrolliertheit liegen nur einen Augenblick voneinander entfernt.

Die Entwicklung humanoider Roboter übertrifft alle Erwartungen. Vor einem Jahr mussten humanoide Roboter zum Abschluss des Rennens gezogen werden. Hinter den teilnehmenden Robotern folgten eine Reihe von Ingenieuren mit Computern. Sie führten und ferngesteuerten die Roboter und mussten häufig eingreifen, um die Richtung zu korrigieren. Es war eher ein Mensch-Roboter-Synergierennen.

Ein Jahr später hat sich die Wettbewerbsregelung selbst geändert. Die Begleiter wurden gestrichen, und die manuelle Intervention wurde streng eingeschränkt. Das Austauschen der Batterie innerhalb und außerhalb des Kurses würde direkt die Punktberechnung beeinflussen. 40 % der Roboter konnten autonavigieren. Humanoide Roboter standen erstmals alleine vor einer komplexen und langen echten Strecke. Doch die schnellste Abschlusszeit wurde um fast zwei Stunden verkürzt. Die kürzeste Abschlusszeit betrug 50 Minuten und 26 Sekunden. Die Roboter flogen vorbei, und es blieb nur noch ein Schatten.

Dieser Laufkurs scheint wie ein „Problem-Sammler“ speziell für Roboter konzipiert. Er ist 21,0975 Kilometer lang, von ebenem Gelände bis zu Steigungen, von kontinuierlichen Kurven bis zu engen Abschnitten, bis hin zu fast 90-Grad-Kurven und Abfahrten im Nanhaizi-Park. Über ein Dutzend verschiedene Geländearten sind miteinander verbunden. Selbst für menschliche Läufer ist dies keine leichte Aufgabe, und für Roboter ist es noch eine größere Herausforderung. Jede Kurve und jede Steigungsänderung ist eine Prüfung für die Wahrnehmungs-, Entscheidungs- und Steuersysteme.

Auf diesem Laufkurs wird die Prüfung humanoider Roboter in mehrere Dimensionen zerlegt: Die Bewegungssteuerung bestimmt, ob sie stabil laufen können; die Energiemanagement bestimmt, wie weit sie laufen können; die Wahrnehmungsentscheidung bestimmt, ob sie die richtige Richtung finden können; und die Wärmemanagement und die mechanische Struktur bilden die Grundlage für die kontinuierliche Funktion all dieser Aspekte.

Neben den Erfolgen haben die Roboter auch eine „Fehler-Sammlung“ vorgelegt: Einige mussten wegen Überhitzung anhalten, um abzukühlen; einige verloren plötzlich die Orientierung und waren durcheinander; einige hatten unsichere Schritte wie betrunkene Männer. Selbst der Sieger des vergangenen Jahres, der „Tiangong Ultra“, erlebte das am Anfang beschriebene Szenario.

Aber in gewissem Maße ist das Scheitern wichtiger als der Erfolg. Jedes Ungleichgewicht, jede Fehleinschätzung und jeder Ausfall enthüllt die Schwächen der Roboter, die in der Laborumgebung verborgen waren. Diese echten Störungen helfen der Branche, die Grenzen zu erkennen und die Richtung zu finden.

Genau in diesem Kontext werden die scheinbar unbedeutenden Unterschiede auf dem Wettkampffield interessant: Warum wählen einige Roboter Schuhe, während andere barfuß bleiben? Warum haben einige große Schritte, während andere mit hohen Frequenzen kleine Schritte machen? Warum sehen einige aus wie Babys, während andere die Gestalt von Erwachsenen haben? Warum können einige Roboter dieselbe Kurve reibungslos durchfahren, während andere bremsen oder sogar anhalten müssen?

Wir haben Tian Feng, den Direktor des „Quick Thinking and Slow Thinking Research Institute“, und Zhang Zhenyao, den Gründer und CEO von Linglinghou Technology, eingeladen, um aus ihrer jeweiligen Perspektive diesen „halbmarathon für humanoide Roboter“ zu analysieren.

Jagt auf Usain Bolt

● Einige Roboter laufen wie Usain Bolt, andere wie betrunkene Männer. Ihre Geschwindigkeit und Schrittweite unterscheiden sich deutlich. Welche Faktoren begrenzen dies im Wesentlichen?

„Wenn die Steuerungsfähigkeit noch nicht ausreichend entwickelt ist, wählen viele Systeme bewusst eine konservativere Strategie mit kleinen Schritten.“

Tian Feng: Der direkteste Faktor, der die Schrittweite bestimmt, ist eigentlich das Drehmoment des Gelenkmotors. Je größer das Drehmoment, desto stärker ist der „Kraft“ des Roboters, und desto weiter kann er einen Schritt machen. Dies ist die grundlegende physikalische Beschränkung. Aber das ist nicht der einzige Faktor. Es hängt auch eng mit dem Steuerungsalgorithmus zusammen. Wenn das Steuersystem die Stabilität großer Schritte nicht ausreichend kontrollieren kann, wird es möglicherweise gezwungen, eine Strategie mit kleinen, schnellen Schritten zu verfolgen. Der Vorteil kleiner Schritte besteht darin, dass es mehr Raum für Anpassungen gibt. Sobald die Haltung abweicht, kann sie schneller korrigiert werden, und die Gesamtstabilität ist höher.

Ein Schlüsselfaktor hierbei ist die Reaktionsverzögerung des Systems. Ein humanoider Roboter kann über mehrere Dutzend Freiheitsgrade verfügen, beispielsweise über 30 oder mehr Gelenkmotoren. Beim großen Schritt müssen diese Motoren sehr hochfrequent und synchron die Haltungsanpassung durchführen, was anspruchsvollste Echtzeitanforderungen an das Steuersystem stellt. Wenn die Verzögerung zu groß ist und der Schwerpunkt nicht rechtzeitig korrigiert werden kann, besteht die Gefahr, dass der Roboter das Gleichgewicht verliert und umfällt. Daher wählen viele Systeme bewusst eine konservativere Strategie mit kleinen Schritten, wenn die Steuerungsfähigkeit noch nicht ausreichend entwickelt ist.

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Was die Schrittfrequenz betrifft, hängt sie im Wesentlichen von der Reaktionsgeschwindigkeit und der Antriebskapazität des Motors ab. Man kann es als Aktualisierungsfrequenz und Ausführungskapazität des Steuersignals verstehen. Wenn der Motor leistungsfähiger und der Antrieb stärker ist, kann er in einer Zeiteinheit mehr Gangzyklen ausführen, und die Schrittfrequenz kann erhöht werden. Aus Sicht des Systems ist die Schrittfrequenz nicht nur ein Steuerungsproblem, sondern hängt auch eng mit dem Stromversorgungssystem zusammen. Denn eine höhere Bewegungsfrequenz erfordert eine höhere Leistungsabgabe. Wenn die Stromversorgungskapazität nicht ausreicht oder der Motor nicht leistungsfähig genug ist, ist es schwierig, einen Betrieb mit hoher Schrittfrequenz aufrechtzuerhalten.

● Warum ist die Abschlusszeit der humanoiden Roboter in diesem Jahr im Vergleich zum letzten Jahr deutlich verkürzt?

„Die Elektromobilitäts-Industrieverschiebung geht in die Robotikbranche über.“

Tian Feng: Tatsächlich profitiert es von unserer Elektromobilitäts-Industrie, die sich jetzt in die Robotikbranche verschiebt. Wir können beobachten, dass Gelenkmotoren, Batterien und andere Komponenten ständig verbessert werden, die Gesamtleistung steigt, und die Lokalproduktionsquote wird immer höher.

Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist, dass die Hersteller auch mehr in Algorithmen investieren. Einige Roboterhersteller verwenden die Hälfte ihrer Forschungs- und Entwicklungsausgaben für das „Kleinhirn“ und das „Gehirn“, d. h. für die Bewegungskontrolle und die logische Denkweise. Dies bringt tatsächlich großen Wert.

● Derzeit müssen die Roboter während des Laufs die Batterie wechseln. Manche tauschen die Batterie in einem Rennen vier- oder fünfmal aus. Warum kann man nicht einfach die Batteriepackung vergrößern?

„Das Anheben der Batteriekapazität ist die schlechteste Lösung.“

Zhang Zhenyao: Gemäß der gegenwärtigen Entwicklung der Elektrochemie ist es schwierig, dass eine einzelne Batterie einen vollformatigen humanoiden Roboter mit einer Höhe von 1,8 Metern über den „halbmarathon“ antreiben kann. Dies ist eine objektive Realität, weshalb es Lösungen für den Batteriewechsel oder den Roboterwechsel während des Rennens gibt. Die anschließende Abwägung ist eigentlich eine mathematische Berechnung.

Beispielsweise können wir die Batteriepackung vergrößern, um den Batteriewechsel zu vermeiden. Dadurch steigen das Gesamtgewicht und das Volumen des Geräts. Dies bedeutet, dass der Motor ein größeres Drehmoment ausgeben muss, um die gleiche Laufgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Ein größeres Drehmoment bedeutet wiederum einen höheren Stromverbrauch und eine höhere Wärmeentwicklung, was am Ende wieder mehr Energie verbraucht... Es entsteht eine Schleife.

Deshalb ist das Anheben der Batteriekapazität die schlechteste Lösung. Der beste Zustand ist, das Batteriegewicht auf 10 - 15 % des Gesamtgewichts des Roboters zu begrenzen, damit der humanoider Roboter mit einem relativ schnellen Gang und mehreren Batteriewechseln das Rennen abschließen kann.

Ein Innovationselement in diesem Jahr ist, dass einige Teams einen stromlosen Batteriewechsel realisiert haben. Dies ist ein sehr guter technischer Ansatz. Früher musste man die Stromleitung abziehen, das System abschalten, nach dem Batteriewechsel neu starten und die Sensoren kalibrieren. Dieser Prozess war sehr langwierig und es gab einige technische Unsicherheiten. Jetzt haben sie mehrere Batteriepackungen an den Robotern angebracht und können zunächst eine Batterie austauschen, während die Reservebatterie die Stromversorgung aufrechterhält. Dadurch wird kein Stromausfall auftreten, und das System bleibt eingeschaltet.

Wir hoffen, dass eine Batterie den gesamten Prozess bewältigen kann. Dies ist eigentlich der ultimative Traum aller. Aber wir können nicht auf ein Wunder hoffen - dass plötzlich ein großer Durchbruch in der Materialwissenschaft erfolgt. Wir müssen uns auf die gegenwärtige Situation stützen. Ich glaube, der Durchbruch liegt in der „Energieerzeugung aus kinetischer Energie“, d. h. von der derzeitigen „Servo-Struktur“ mit hohem Energieverbrauch zu einem Zustand passiver Bewegung mit sehr hoher Energieerzeugungseffizienz. Beispielsweise kann man die elastische Energiespeichermechanik der Beine nutzen, um die kinetische Energie bei jedem Schritt zu speichern. Dies ist ähnlich wie die Energieerzeugung aus kinetischer Energie bei Elektroautos bei Bergabfahrten.

OOTD hat seine Gründe

● Warum tragen einige Roboter Schuhe, andere nicht?

„Roboter können auch ihr „Meniskus“ verschleißen.“

Zhang Zhenyao: Ob ein Roboter Schuhe trägt oder nicht, spiegelt sich in der Ingenieurwissenschaft in drei Indikatoren wider: das Bodenkontaktmodell, der Reibungskoeffizient und die Stoßabsorption.

Bei jedem Schritt eines Roboters entsteht eine Gegenkraft, die zwei- bis dreimal so groß wie sein Eigengewicht ist, wenn der Fuß den Boden berührt. Wenn diese Gegenkraft direkt entlang der Beinstreben nach oben geleitet wird, verursacht sie eine hochfrequente Belastung auf das Sprunggelenk und das Kniegelenk, was leicht zu Metallermüdung und Bruch führt. Genau wie beim Menschen verschleißt sich der Meniskus, wenn man viel läuft oder Berg steigt. Hier kommt der Schuh ins Spiel, um die Stoßkraft zu absorbieren, einige hochfrequente Schwingungen zu isolieren und die Gelenke und Motoren des Roboters effektiv zu schützen.

Ein weiterer Aspekt, den auch Menschen intuitiv spüren können, ist die Sohlenkonstruktion von Laufschuhen. Die barfuß Roboter haben normalerweise Füße aus Metall oder Kohlefaser, die einen relativ niedrigen Reibungskoeffizienten haben. Beim direkten Kontakt mit der Asphaltstraße kann es zu kleinen Verschiebungen kommen, was instabil ist. Diese kleinen Verschiebungen können Fehler in den Algorithmen des Roboters verursachen, was wiederum zu einer Verschiebung des Schwerpunkts oder der räumlichen Position führen kann und sogar zu Systemschwingungen führt. Wenn man einem Roboter passende Laufschuhe gibt, kann er die statische Reibung erheblich erhöhen und es kommt weniger leicht zu kleinen Verschiebungen auf der Asphaltstraße. Insbesondere bei rechten Kurven kann die hohe Reibung der Laufschuhe dem Roboter helfen, die Zentripetalkraft aufrechtzuerhalten.

Das Tragen von Schuhen bringt auch zwei kleine Probleme mit sich. Einerseits ist in den frühen Trainingsmodellen das weiche Material des Schuhs und die Sohlenstärke nicht berücksichtigt worden, was dazu führt, dass der Roboter nicht weiß, dass er Schuhe trägt. Dies kann seine Algorithmen in gewissem Maße stören, beispielsweise kann er in die Luft treten. Andererseits erhöht das Gewicht des Schuhs das Gewicht am Ende der Beine des Roboters, was den Energieverbrauch der Beine weiter erhöht. Aber ich denke, dass diese beiden Probleme nicht allzu gravierend sind. Die derzeit verwendeten Algorithmen für maschinelles Lernen haben eine starke Robustheit. Das Tragen von Laufschuhen für einen Roboter bringt mehr Vorteile als Nachteile.