CARA – hochpräziser Roboterhund mit Seilantrieb

 (aaedmusa.com)
3 Punkte von GN⁺ 2025-07-24 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • CARA ist ein hochpräziser Roboterhund, der sich durch den Einsatz eines Seilmechanismus von herkömmlichen Ansätzen unterscheidet
  • Zur initialen Positionskalibrierung durchläuft jedes Gelenk einen Homing-Prozess, bei dem es Stromänderungen erkennt, um physische Grenzpunkte zu finden
  • Über drei Formelsätze – Inverse Kinematik (IK), Vorwärtskinematik (FK) und Rotationskinematik (RK) – werden Beinposition und Haltung präzise gesteuert
  • Es nutzt ein Gangmuster auf Basis zyklischer Trajektorien, um natürliche Fortbewegung und weiche Bewegungen zu realisieren
  • Mit einem Trotting-Gait bewegen sich diagonale Beine gleichzeitig, wodurch verschiedene Bewegungen wie Fahrtrichtung und Rotation unterstützt werden

Programmierung

Homing-Sequenz

  • Der erste Schritt bei der Programmierung von CARA ist die Entwicklung einer Gelenk-Homing-Sequenz (automatische Positionskalibrierung)
  • Beim Homing können mit dem absoluten Positionsencoder an jeder Gelenkmotorwelle zunächst nur relative Gelenkpositionen gemessen werden
  • Zu Beginn werden die Gelenke bis an ihre physischen Grenzen gedreht, und das Erreichen dieses Punkts wird über einen Stromanstieg erkannt
  • Nach Erreichen der physischen Grenze kann dem Gelenk eine absolute Position zugewiesen werden
  • Dieser Prozess muss bei jedem Start zwingend einmal ausgeführt werden

Kinematik

  • Zur Steuerung der Körperbewegung werden insgesamt drei Formelsätze genutzt: Inverse Kinematik (IK), Vorwärtskinematik (FK) und Rotationskinematik (RK)
  • IK-Formeln: berechnen die Gelenkwinkel, um das Bein (Fußspitze oder Endeffektor) an einer gewünschten X-, Y-, Z-Position zu platzieren
  • FK-Formeln: berechnen aus den aktuellen Gelenkwinkeln die X-, Y-, Z-Position des Fußes
  • Bei der Trajektorienplanung wird zunächst mit FK die aktuelle Position berechnet, dann werden intermediäre Waypoints bis zum Zielpunkt bestimmt (unter Nutzung der Arduino-RAMP-Bibliothek), und für jeden Waypoint werden per IK die Gelenkwinkel berechnet
  • RK-Formeln: werden verwendet, um die Fußpositionen zu berechnen, die für Rotationen des Körpers um Roll-, Pitch- und Yaw-Achse erforderlich sind
    • Auf Basis der mit RK berechneten Fußpositionen werden anschließend erneut per IK die Winkel bestimmt
    • Eingesetzt für Haltungsregelung (Pose Control) und Stabilitätserhalt; dies ermöglicht dem Roboter Drehbewegungen des Körpers auf der Stelle und trägt zum Balancieren bei

Gang

  • Der Gang von CARA verwendet eine schrittbasierte Trajektorie auf Basis einer Zykloide und erzielt dadurch weiche und realistische Bewegungen
  • Dreieckige und rechteckige Schritttrajektorien wurden ebenfalls getestet, waren jedoch in Bezug auf Sanftheit, Umgehung von Hindernissen durch die Beine und natürliches Bewegungsverhalten unterlegen
  • Der Hauptgang ist ein Trotting-Gait (gleichzeitige Bewegung diagonaler Beine); die Bewegung besteht aus Swing-Phase (vorwärts in der Luft) und Stance-Phase (rückwärts schieben am Boden)
  • Während des Gangs werden Swing- und Stance-Phase abwechselnd zwischen diagonalen Beinpaaren wiederholt, wodurch ein kontinuierlicher Schrittzyklus entsteht
  • Beim Gehen in andere Richtungen als vorwärts und rückwärts bleibt das Trotting-Muster erhalten, lediglich der Schrittwinkel der Beine wird verändert
  • Bei Rotationen macht ein Beinpaar Schritte nach außen, das andere nach innen, wodurch Kurvenbewegungen oder Rotation auf der Stelle möglich werden

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2025-07-24
Hacker-News-Kommentare
  • Ich habe mir Aaeds Capstan-Drive-Videos immer wieder angesehen, wirklich großartige Arbeit: hohe Geschwindigkeit und hohes Drehmoment, ordentliche Nachgiebigkeit und praktisch kein Backlash; es ist faszinierend, so viel echtes Engineering-Denken zu sehen
    • Ich habe seine Videos auch erst vor Kurzem entdeckt, und jedes Mal, wenn ich sie anschaue, sprudeln mir Ideen für Dinge durch den Kopf, die ich bauen möchte. Schade nur, dass die Zeit fehlt (direkt neben mir wartet auch noch ein Breadboard auf meine Aufmerksamkeit). Interessant ist dabei der YouTube-Algorithmus: Themen, die ich zuerst auf YouTube sehe, tauchen oft ein oder zwei Wochen später auf Hacker News auf. Ich bin mir nicht sicher, ob das ein Zeichen dafür ist, dass der Algorithmus gut ist, oder eher ein Fehlschlag. Er zeigt interessierten Leuten eindeutig einige populäre Videos gut an, aber ich frage mich, ob das, was ich sehe, wirklich das Beste ist, oder nur eine kleine Zahl hervorragender Arbeiten, die zufällig Aufmerksamkeit bekommen haben. Manchmal entdecke ich erst spät nützliche Kanäle, die es schon seit Jahren gibt, und dann denke ich, dass es in Wirklichkeit viel mehr gute Inhalte gibt, die sehenswert wären. Dann frage ich mich, ob ich sie bloß wegen Pech nicht gesehen habe, oder ob ich erst jetzt Glück hatte, oder ob der Algorithmus zufällig irgendeinen Schwellenwert oder ein Muster meiner Interessen erkannt und sie mir deshalb empfohlen hat
    • Früher haben wir Filmrollen mit Capstans durch Scan-Geräte geführt, schnell, präzise und ohne Backlash, wirklich eine tolle Technik. Deshalb dachte ich, dass sie wegen mangelndem Drehmoment oder Verschleiß nicht häufiger eingesetzt wird, aber offenbar ist das nicht unbedingt der Fall
    • Aaed ist einer meiner Lieblings-Creator. Sicher gibt es auf YouTube noch bessere Ingenieure oder Fachleute und auch unterhaltsamere Leute, aber er trifft wirklich eine gute Balance. Ich abonniere auch viele Kanäle zu Tech, Pop Science und Industrial Design; wenn Interesse besteht, kann ich gern eine Empfehlungsliste teilen, ich bin gerade dabei, meine Kanäle zu sortieren
    • Ich habe nicht die Videos zu den Hunden im Zusammenhang mit Capstan Drives gesehen, aber das grundlegende Erklärungsvideo (High Precision Speed Reducer Using Rope) war hervorragend. Ich träume seit einem Jahr von dieser Technik, besonders weil sich ungefähr zur gleichen Zeit noch jemand mit den da-Vinci-Roboteraktoren beschäftigt hat (hochpräzise Steuerung per Kabel), was es noch eindrucksvoller gemacht hat. (Building a DIY Surgical Robot)
  • Ich habe dieses Video letzte Woche gesehen und war wirklich sprachlos, ein hervorragender Techniker und zugleich ein großartiger Erklärer. Er hat die Teststrategie ausführlich genug erklärt, sodass ich seine Denkweise und Methodik verstehen konnte, und zugleich passend zusammengefasst, ohne unnötig auszuschweifen. Wirklich ein Meisterwerk
  • Ich habe Aaed letzte Woche tatsächlich getroffen, er war gerade dabei, Teile für das Projekt zu drucken (wir arbeiten in derselben Firma), und dass es auf Platz 1 bei HN gelandet ist, fühlt sich fast unwirklich an
  • Die Präsentation war wirklich hervorragend, ich finde, jemand sollte diesen Typen schnell einstellen
    https://www.aaedmusa.com/
    • Ich will meinen 12-jährigen Sohn nach Abschluss seines Curriculums dazu inspirieren, seine eigene Website in etwa so zu gestalten: "CARA (Capstans Are Really Awesome) ist mein neuester quadrupeder Roboter und der Nachfolger von ZEUS, ARES und TOPS. Der Bau hat ein Jahr gedauert, und er ist der dynamischste und am besten konstruierte quadrupede Roboter, den ich bisher gebaut habe"
    • Für jemanden, dessen Talent, Motivation und Umsetzungskraft bereits so klar bewiesen sind, wäre der gewöhnliche Weg in eine Festanstellung eher der unpassendere Weg. Viel sinnvoller wäre es, stattdessen sein Startup zu unterstützen
    • Vielleicht ist er mit seinen Projekten und seiner YouTube-Arbeit auch schon vollkommen zufrieden
  • Nicht nur die robotische Umsetzung ist beeindruckend, sondern auch die Art, wie er sie per Video an die Zuschauer vermittelt. Ich finde die Videoqualität im heutigen Internet wirklich erstaunlich. Die Werkzeuge, die man in einer privaten Werkstatt nutzen kann, werden immer besser, und ich denke, dadurch werden wir in Zukunft noch viel mehr solcher Dinge entdecken
  • Ich glaube, es gab hier auf HN schon einmal einen Post über ihn, aber jetzt wieder zu sehen, wie er solche großartigen Dinge selbst baut und sie in Videos erklärt, hat mich erneut beeindruckt. Ich habe ihn jetzt abonniert, damit ich so etwas in Zukunft nicht mehr verpasse
  • Das ist wirklich erstaunliche, ehrfurchtgebietende Arbeit
  • Professor des Nachbarn von oben. https://youtu.be/8s9TjRz01fo?t=1128
  • Ich frage mich, warum so viel Aufwand nötig ist, um ein so „präzises“ Übersetzungsverhältnis zu bekommen; nur weil eine Zahl viele Stellen hat, ist sie nicht automatisch „präzise“. Und ich frage mich auch, wie robust diese Konstruktion gegenüber Verschleiß oder Ermüdung ist
    • Tatsächlich war der Aufwand vielleicht gar nicht so groß. Wenn man mit 3D-Druck arbeitet, druckt man ohnehin oft zwei- oder dreimal neu, und dabei ergibt es sich ganz natürlich, das Übersetzungsverhältnis anzupassen. Und wenn man mit einem „hochpräzisen“ Design argumentiert und anderen Ratschläge zur Getriebekonstruktion geben will, kann man sich mit ungefähr 7,9 bis 8,2 nicht zufriedengeben, wenn man eigentlich ein Übersetzungsverhältnis von 8 angestrebt hat
    • Das ist ein kinematisches Problem. Je präziser das Getriebe ist, desto besser stimmt das Modell mit der Realität überein. Deshalb montieren Fachleute in Szenen mit hohen Stoßbelastungen den Motor direkt ans Gelenk statt Getriebe oder Seil zu verwenden. Verformung bzw. Elastizität auch noch mit einzuberechnen, ist praktisch unmöglich. Zumindest war das bei der Robotik, die ich zuletzt gesehen habe, so

    • Nur weil eine Zahl viele Stellen hat, wird sie nicht präziser
      Ist es nicht eigentlich die Definition von precision, dass es mehr Nachkommastellen gibt?

    • Dieser Teil des Videos war für mich etwas verwirrend, vielleicht lag das an den Grenzen der verwendeten Werkzeuge
  • Danke fürs Teilen eines so unterhaltsamen und gut gemachten Videos, das war wirklich ein erfreuliches Projekt, und seine Fähigkeit zu erklären wirkte außergewöhnlich. Solche Kommunikationsfähigkeiten sind wirklich großartig, und ich möchte darin selbst auch besser werden