Force based inclinometry for navigation in legged robots inspired by the desert ant Cataglyphis spec.

In the Tunisian desert ants of the species Cataglyphis fortis exhibit remarkable navigational abilities. They are able to home even under extreme conditions and rough terrain without the use of external guidance. This makes them ideal candidates for model organisms when developing biomimetic navigation strategies for mobile robots. This approach tackles challenges routinely faced in autonomous mobile robot navigation. The system is robust to external influences, computationally cheap, self-contained and independent of external infrastructure. The broader goal is the development of a generic biomimetic system capable of autonomous locomotion. In particular this thesis addresses the element of detecting the substrate inclination which is crucial information in earth-bound navigation in three-dimensional space. This information will be used in an odometer to determine the ground projection of the travelled distance and thus allow reliable path integration in conjunction with compass information.

Based on existing research like behavioural experiments on the desert ants the hypothesis is developed that measuring forces on the legs during movement is the determining factor to gain sufficient information about the substrate inclination. In the course of this thesis it is narrowed down to the measuring of only joint torques to reach that goal.

The thesis follows the biomimetic engineering process. The model organism is analysed with respect to morphology, location and distribution of force sensors campaniform sensilla with a scanning electron microscope. The findings are validated via synchrotron X-ray microtomography analysis. The essential leg movement is extracted from digitized high speed videos. The data is used to establish an automated system to translate the motion to joint angles under varying constrictions that can be chosen based on the design of the desired technical application.

A one legged prototype is constructed to evaluate the permissible level of abstraction and the suitability of force sensors versus torque sensors. The results are subsequently transferred to a generic commercially available mid range hexapod platform. Manual analysis of joint torque proves the general feasibility of correlating the joint torque measurements with the substrate inclination. To eliminate designing expert systems for each eventuality encountered in an exploratory mission artificial neural networks are employed. Simulated data is used to optimize the topology of a shallow feedforward network sufficient for this task. Loading and unloading processes as well as slanted paths are covered in this approach. Validation is performed on experimental data.

The final conclusion of the thesis affirms the initial hypothesis. It is possible to implement a system on a generic mobile robot platform that allows detection of the substrate inclination based solely on idiothetic cues, i.e. joint torques. The proposed system works without installation of additional sensors and is computationally economical through the use of artificial neural networks. Determining the inclination is possible with a temporal resolution of once per step and as such suited for real time capable systems.

The presented method has implications on biological research as well as the development of generic biomimetic systems. New hypotheses about the desert ants can be generated and experiments designed with the use of the robotic platform. Furthermore the proposed method ties in seamlessly with existing research of two-dimensional navigation systems or as a redundant system to amend alternative navigation methods.

Im Gegensatz zu heimischen Ameisenarten, welche zum Großteil bei der Futtersuche auf die bekannten Ameisenstraßen setzen, sind Vertreter der Art Cataglyphis fortis zu großen individuellen Navigationsleistungen gezwungen. In ihrem Lebensraum in der tunesischen Salzwüste ist die Orientierung mittels volatiler Pheromone gar nicht und die visueller Landmarken nur eingeschränkt möglich. Dennoch sind sie in der Lage, ihr Nest auch nach ausgedehnter Futtersuche in Entfernungen von bis zu mehreren zehntausend Körperlängen zuverlässig wiederzufinden. Diese herausragende Navigationsleistung, welche unter schwierigsten Bedingungen mit beschränkten neuronalen Fähigkeiten durchgeführt wird, macht sie zu einem geeigneten Vorbild für die Odometrie in Laufrobotern.

Der bionische Ansatz adressiert gängige Herausforderungen in autonomer Navigation von Laufrobotern. Das vorgeschlagene System ist robust gegenüber äußeren Einflüssen, sparsam im Rechenaufwand, in sich geschlossen und unabhängig von externer Infrastruktur. Das übergeordnete Ziel ist die Entwicklung eines generischen bionischen Systems, welches zu autonomer Lokomotion fähig ist. Im Speziellen befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Element der Bestimmung des Untergrundneigungswinkels, welcher ein entscheidender Baustein für die landgebundene Navigation im dreidimensionalen Raum ist. Mit dieser Information kann die Projektion des gelaufenen Weges auf eine zweidimensionale Ebene errechnet werden. In Kombination mit der Information über die Richtung kann so ein Odometer entwickelt werden, das eine zuverlässige Pfadintegration ermöglicht.

Basierend auf der bestehenden Forschung zu Verhaltensexperimenten bei den Wüstenameisen wird die Hypothese entwickelt und getestet, dass die Messung der Beinkräfte während der Bewegung der entscheidende Faktor ist, um ausreichend Information über den Untergrundneigungswinkel zu erhalten. Im Verlauf der Arbeit wird diese These zugespitzt auf die Messung der Drehmomente in den Gelenken, um das beschriebene Ziel zu erreichen.

Die vorliegende Arbeit folgt dem Prozess des bionischen Arbeitens. Der gewählte Modellorganismus wird analysiert hinsichtlich seiner Morphologie, insbesondere der Lage und Verteilung der Kraftsensoren Campaniforme Sensillen mittels eines Rasterelektronenmikroskops. Die Ergebnisse werden durch Röntgenmikrotomographie mit Synchrotronstrahlung validiert. Die wesentliche Beinbewegung wird aus Hochgeschwindigkeitsvideos extrahiert. Die digitalisierte Bewegung wird verwendet, um ein automatisiertes System zu schaffen, welches die Bewegung in Gelenkwinkel übersetzt. Die Randbedingungen, welche sich durch das Design der technischen Anwendung ergeben, werden direkt berücksichtigt.

Ein einbeiniger Prototyp wird konstruiert, um den zulässigen Grad an Abstraktion zu ermitteln und die Eignung von Drehmomentsensoren im Vergleich zu Kraftsensoren zu ermitteln. Die Ergebnisse werden in der Folge auf eine generische, handelsübliche Hexapodplattform der Mittelklasse übertragen. Die manuelle Auswertung der Drehmomente in allen Gelenken zeigt die grundlegende Möglichkeit der Verknüpfung von gemessenen Gelenk-Drehmomenten mit dem Untergrundneigungswinkel. Künstliche neuronale Netze werden eingesetzt, um die Notwendigkeit der Entwicklung immer neuer Expertensysteme für jede Eventualität, die in einer Forschungsmission auftreten kann, zu umgehen. Mit Hilfe von Datensätzen, die in einer Simulationsumgebung erzeugt werden, wird die optimale Topologie eines flachen feedforward Netzwerkes bestimmt. Be- und Entladeprozesse, sowie ungerade Pfade können so ohne zusätzlichen Aufwand abgefangen werden. Die Validierung erfolgt mittels experimentell ermittelter Datensätze.

Das abschließende Ergebnis bestätigt die eingangs formulierte Hypothese. Es ist möglich ein System zu entwickeln, welches den Untergrundneigungswinkels rein auf Grundlage idiothetischer Informationen bestimmt. Dieses System wird auf einem generischen Laufroboter in der Bewegung implementiert und benötigt nur Informationen über die Drehmomente der Gelenke. Das vorgestellte System ist ohne die Installation weiterer Sensoren funktionsfähig und durch den Einsatz künstlicher neuronaler Netze ressourcenschonend im Rechenaufwand. Die Bestimmung des Untergrundneigungswinkels kann mit einer zeitlichen Auflösung von mindestens einmal pro Schritt erfolgen und somit ist das System prinzipiell echtzeitfähig. Die vorgestellte Methode hat Auswirkungen auf biologische Forschung sowie auch auf die Entwicklung eines generischen bionischen Systems. Neue Hypothesen über die Verhaltensweisen von Wüstenameisen können auf Basis der Plattform generiert und neue Versuchsdesigns erprobt werden. Darüber hinaus komplementiert das vorgeschlagene System die bestehende Forschung zweidimensionaler Navigationssysteme und kann zudem als redundantes System alternativer Navigationsansätze ohne hohen Aufwand implementiert werden.

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