Field Assessment of Force Torque Sensors for Planetary Rover Navigation

Het gevoel van de grond: Hoe robots leren "lopen" op vreemde werelden

Stel je voor dat je in een auto rijdt op een hobbelige onverharde weg. Je kunt de kuilen voor je niet zien, maar je kunt ze wel voelen. Je stoel schudt, het stuur trilt en je banden drukken in de modder. Dat gevoel is de manier van je auto om tegen je te zeggen: "Hé, de grond is hier zacht!" of "Pas op, die steen is hard!" Voor mensen is dit gemakkelijk; onze lichamen zitten vol sensoren die ons vertellen hoe we bewegen en wat we aanraken. Maar voor een robot die naar een verre planeet zoals Mars is gestuurd, zijn de zaken veel moeilijker. Deze robots, genaamd rovers, zijn als blinde ontdekkingsreizigers. Ze vertrouwen op camera's om te zien en computers om na te denken, maar ze missen vaak een goed gevoel van "proprioceptie" — het interne gevoel van waar hun lichaamsdelen zich bevinden en hoe ze met de wereld omgaan.

Om veilig te navigeren, gebruiken rovers meestal een Inertial Measurement Unit (IMU). Denk aan een IMU als een hoogtechnologisch evenwichtsorgaan; het vertelt de robot of hij kantelt, schudt of versnelt, maar het vertelt de robot niet precies hoe hard zijn wielen tegen de grond duwen. Er is een ander type sensor, een Force-Torque Sensor (FTS). Als een IMU het evenwichtsorgaan is, dan is een FTS als een supergevoelige vingertop. Het kan precies meten hoeveel kracht er wordt uitgeoefend en in welke richting. Wetenschappers vragen zich al lang af: Zou het geven van deze "vingertoppen" aan de wielen van een Marsrover de rover helpen om de terrein beter te begrijpen, obstakels in het zand te vermijden en zelfverzekerder te rijden? Dit is de grote vraag die onderzoekers probeerden te beantwoorden.

De robot met "vingertoppen" op zijn wielen

In dit onderzoek nam een team van onderzoekers een robot genaamd MaRTA (Martian Rover Testbed for Autonomy) mee naar een halfwoestijn in Spanje die erg lijkt op het oppervlak van Mars of de Maan. MaRTA is een zeswielige robot, maar met een speciale twist: in plaats van alleen een camera en een evenwichtsorgaan, heeft hij zes "vingertoppen" (Force-Torque Sensoren) gemonteerd op zijn poten, direct boven de wielen. Het team reed met MaRTA over verschillende soorten ondergrond — losse grond, samengeperst zand, grind en massieve rotsen — op verschillende snelheden en hoeken. Hun doel was om te zien of de gegevens van deze "vingertoppen" de robot konden helpen begrijpen wat voor soort grond hij onder zijn wielen had en hoe goed hij grip had op het oppervlak.

Kan de robot de grond "voelen"?
De onderzoekers ontdekten dat het antwoord een definitief "ja" is, maar met enkele kanttekeningen. Wanneer ze de gegevens van de Force-Torque Sensoren gebruikten om een computerprogramma te leren hoe het terrein te herkennen, werd de robot er erg goed in. Sterker nog, de sensoren waren verrassend goed in het onderscheiden van "grind" en "rots", een taak waarbij de "innerlijke oor" van de robot (de IMU) moeite had. De sensoren konden de minuscule trillingen en krachten detecteren die optreden wanneer een wiel over een kiezel rolt versus een vlakke rots. Het team testte dit met behulp van twee verschillende computer-"hersenen": een Support Vector Machine (SVM) en een Neuraal Netwerk (NN).

Wanneer ze het Neurale Netwerk gebruikten met de Force-Torque data, identificeerde de robot het terrein correct in ongeveer 96,17% van de gevallen. Dit was een enorme verbetering ten opzichte van het gebruik van alleen de IMU, die het slechts in ongeveer 79,35% van de gevallen goed had. Nog beter: wanneer ze de "vingertoppen" (FTS) combineerden met het "evenwichtsorgaan" (IMU), sprong de nauwkeurigheid naar 96,76%. De "vingertoppen" waren vooral goed in het herkennen van het lastige "grind"-terrein, wat de andere sensoren vaak in verwarring bracht. Het lijkt erop dat het hebben van sensoren direct op de poten de robot een veel gedetailder "gevoel" van de grond geeft dan alleen het voelen van de trillingen van het hele lichaam.

Kan de robot zijn "trekkracht" meten?
Het team probeerde deze sensoren ook te gebruiken om iets te meten dat "drawbar pull" wordt genoemd. Stel je een paard voor dat een kar trekt; de drawbar pull is de kracht die het paard gebruikt om de last voort te slepen. Voor een rover vertelt dit ons hoeveel grip de wielen hebben. Als de wielen slippen in het zand, is de trekkracht laag. Als ze grip hebben op de rots, is de trekkracht hoog. De onderzoekers hoopten dit getal direct van de sensoren af te kunnen lezen.

Dit deel van het experiment was echter veel rommeliger. De grond is hobbelig, de robot trilt en de sensoren pikten veel ruis op. Het team kwam tot de conclusie dat ze niet zoma van een enkel getal konden aflezen om de trekkracht te weten. In plaats daarvan moesten ze heel slim te werk gaan. Ze realiseerden zich dat als ze naar de geometrie van de poot van de robot keken, ze de ruisachtige data konden filteren. Ze berekenden een "hefboomlengte" (de afstand van de sensor tot waar het wiel de grond raakt) en keken alleen naar momenten waarop deze lengte stabiel was, tussen de 10 cm en 17,5 cm.

Wanneer ze dit deden, zagen ze patronen. Op zachte, losse grond was de kracht rond de 10 N (Newton). Op samengeperst zand was het rond de 20 N. Op rotsachtige grond schommelden de cijfers enorm. Hoewel dit hen geen perfecte, directe meting van de trekkracht gaf, suggereerde het een manier om "goede" momenten in de data te vinden waarop de meting betrouwbaar zou kunnen zijn. De auteurs suggereren dat toekomstige tests, om een echt nauwkeurige meting te krijgen, de trekkracht met een extern instrument moeten meten om te zien of hun wiskunde overeenkomt met de werkelijkheid.

Moeten we deze sensoren op elke rover plaatsen?
Dit is de belangrijkste conclusie: de onderzoekers beargumenteren dat hoewel deze sensoren geweldig zijn voor robotarmen (zoals die gebruikt worden om monsters te verzamelen), ze misschien te duur en moeilijk te gebruiken zijn voor de wielen van een standaard rover. De trillingen tijdens het rijden maken de data moeilijk te interpreteren voor zaken zoals het meten van de trekkracht. Het team suggereert dat voor simpel rijden het beter kan zijn om goedkopere sensoren te gebruiken die de elektriciteit in de motoren meten (wat ook aangeeft hoe hard het wiel werkt).

Er is echter één speciaal geval waarin deze "vingertoppen" zeer nuttig zijn: als de rover moet doen aan "wheel walking". Dit is een chique manier om te zeggen dat de robot zijn wielen optilt en over obstakels stapt, net als een mens die loopt. In deze modus zijn de sensoren die boven het wiel zijn gemonteerd perfect om te meten hoe de robot stapt. Dus, hoewel ze misschien niet de beste keuze zijn voor een standaard rit, kunnen ze het geheime wapen zijn voor een robot die over echt moeilijk terrein moet klimmen.

Uiteindelijk suggereert het artikel dat deze sensoren een krachtig hulpmiddel zijn om het terrein te begrijpen, vooral wanneer ze gecombineerd worden met andere gegevens, maar dat ze geen magische oplossing zijn voor alles. Ze werken het best wanneer de robot langzaam en voorzichtig beweegt, en ze moeten misschien anders geplaatst worden (direct in de wielas) om het duidelijkste beeld te geven van hoe de rover interacteert met de buitenaardse grond.