Roboterhund ANYmal löst Rubik's Cube in maximal neun Minuten mit seinen Füßen

Das Robotics Systems Lab der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) hat seinem vierbeinigen Roboterhund ANYmal-D beigebracht, einen überdimensionalen Rubik’s Cube (in Deutschland meist als Zauberwürfel bezeichnet) zu lösen. Das Besondere dabei: Der Roboter benutzt seine Vorderbeine und Füße, um die einzelnen Lagen des Würfels zu drehen, während er auf seinen Hinterbeinen balanciert. Die Forscher haben dazu verschiedene Techniken von Computer Vision über klassische Algorithmen bis hin zu Reinforcement Learning (RL) genutzt.

Die Wissenschaftler des Robotics Systems Lab teilen den Lösungsvorgang des Rubik’s Cube durch ANYmal in drei Phasen auf: Scannen des Würfels, Planen des Lösungsvorgangs und Ausführung, wie sie in der Studie „Solving a Giant Rubik's Cube with a Quadruped Robot“ schreiben, die im Preprint auf Arxiv veröffentlicht ist. Beim Scannen des etwa 4,6 kg schweren Würfels dreht ANYmal ihn mit seinen Vorderbeinen zunächst so, dass er sämtliche Flächen des Würfels mit seiner integrierten Kamera erfassen kann. Der Roboter erkennt dabei die Position der einzelnen Farbflächen der Steine und kann aus diesen Informationen einen Lösungsweg berechnen.

Um die einzelnen Lagen des Würfels so zu verdrehen, dass alle sechs Flächen des Würfels jeweils die gleiche Farbe haben, nutzt der Roboter den Kociemba Solver, ein von Herbert Kociemba entwickelter Algorithmus, um einen Rubik’s Cube möglichst schnell und effizient zu lösen. Der Vorteil dieses Algorithmus‘ ist, dass zum Lösen des Würfels nur wenige Drehungen nötig sind, der Roboter dann nicht so viele komplizierte Bewegungen mit seinen Beinen ausführen muss. Denn die Manipulation des Würfels mit den Beinen oder vielleicht besser den Füßen des Roboterhundes, in der Wissenschaft Pedipulation genannt, ist der schwierigste Teil des Projektes.

Bewegen des Würfels mit den Vorderfüßen

ANYmal muss dazu die einzelnen Lagen gezielt so drehen können, dass sie nach einer Drehung nicht schief stehen und das wirklich nur die Lage bewegt wird, die bewegt werden soll. Die Wissenschaftler haben das gelöst, indem sie dem Würfel so schwer gemacht haben, dass die jeweils auf dem Boden liegende Fläche sich nicht verdrehen kann. Der Roboter kann dann mit seinen Füßen die nötige Kraft aufbringen, um die beiden oberen Lagen gezielt zu verdrehen. Je nach Position der Farbsteine muss der Würfel dazu noch mehrfach gewendet werden. Entscheidend dabei ist, dass es zu keinen Fehlverdrehungen kommt, denn ein falscher Zug könnte den zuvor errechneten Lösungsweg zunichtemachen.

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Die Würfel-Pedipulationen stellen für den Roboterhund eine große Herausforderung dar. Denn er muss sich dazu auf seine Hinterbeine stellen und die Balance halten, um mit seinen Vorderfüßen die einzelnen Lagen und die Gesamtposition des Würfels verändern zu können. Die Forscher haben den Roboterhund dazu mittels RL trainiert, um die nötigen Bewegungen durchführen zu können, ohne dass ANYmal während der Würfelpedipulation umkippt. Die notwendigen Bewegungen der Robotergliedmaße werden auf Grundlage des Lösungsweges des Kociemba Solvers erzeugt. Der Roboter überwacht dabei per Computer Vision inklusive Farberkennung den Zustand des Würfels. Fehler können so erkannt und gegebenenfalls korrigiert werden.

ANYmal konnte mit dieser Methode einen Rubik’s Cube in weniger als zehn Minuten lösen. In drei Lösungsversuchen benötigte der Roboterhund jeweils zwischen acht und neun Minuten für den Vorgang. Dabei musste der Roboter rund 30 einzelne Bewegungen durchführen.

Der Roboterhund ANYmal ist eigentlich für Inspektionsgänge in industriellen Umgebungen, für Überwachungsaufgaben und „Search & Rescue“-Missionen entwickelt worden. Die Pedipulation des Rubik’s Cube zeigt, dass er dabei jedoch auch ohne Hände komplexere Aufgaben mit seinen Füßen durchführen könnte.

(olb)