Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1039 "Autonomes Laufen" wurde am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der TU München die zweibeinige, autonome Laufmaschine JOHNNIE entwickelt. JOHNNIE ist in der Lage, auf ebenem und unebenem Boden sowie um Kurven zu gehen. Primäres Ziel ist das Erreichen eines schnellen, dynamisch stabilen Ganges. Dies stellt erhebliche Anforderungen an Antriebe, Sensoren und Regelungstechnik. 

 

Auf der Hannovermesse 2003 ist JOHNNIE sichtgesteuert über ein Hindernisszenario gelaufen. Mit dem Sichtsystem des Lehrstuhls für Steuerungs- und Regelungstechnik der TU München ist der Roboter in der Lage, Hindernisse zu erkennen und geeignete Schrittsequenzen zu planen, um diese zu übersteigen oder zu umgehen.

 

JOHNNIE verfügt über einen menschenähnlichen Aufbau mit 17 angetriebenen Gelenken bei einer Größe von 180 cm und einem Gewicht von etwa 49 kg. In den Beinen befinden sich jeweils sechs Gelenke, davon drei in der Hüfte, eines im Knie sowie zwei im Sprunggelenk. Die Arme werden zum dynamischen Drallausgleich eingesetzt, weshalb die Schultern über je zwei Freiheitsgrade verfügen. Alle Gelenke werden über Harmonic Drive Leichtbaugetrieben mit Gleichstrommotoren angetrieben. Eine Ausnahme bilden die Sprunggelenke, die als Parallelmechanismus  mit Kugelgewindetrieben realisiert sind. Die Struktur des Roboters besteht zum großen Teil aus hochfesten Aluminiumlegierungen. Sensorik, Elektronik und Rechner sind auf dem Roboter integriert, sodass JOHNNIE über ein hohes Maß an Autonomie verfügt. Lediglich die Energie wird über ein Kabel zugeführt. Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten werden mit inkrementellen Winkelencodern gemessen. Die Ermittlung der Bodenaufstands-kräfte übernehmen zwei in die Füße integrierte, sechsachsige Kraftsensoren. Ein Orientierungssensor, bestehend aus  Beschleunigungs- und Kreiselsensoren erfasst die räumliche Drehlage des Oberkörpers. Sensoren und Motorleistungsstufen sind über eine Schnittstellenkarte mit dem Onboard-PC verbunden, der auf dem Oberkörper montiert ist.

 

Die Regelung des Roboters ist hierarchisch in zwei Ebenen gegliedert. Auf der obersten Ebene erfolgt die globale Gangkoordination einschließlich des Übergangs zwischen den verschiedenen Gangmustern. Beispielsweise sind spezielle Gangmuster für Stehen, Gehen und Treppensteigen programmiert. Jedes Gangmuster setzt sich aus unterschiedlichen Phasen zusammen (z.B. Standphase, Schwungphase). Dabei darf der berechnete Schritt nicht zu einem unbeabsichtigten Abheben oder Kippen des Standfußes führen. Diese Referenztrajektorien erfüllen die dynamischen Randbedingungen des Systems. Daher ist der Roboter im Gleichgewicht, solange die Gelenkwinkel den Referenztrajektorien exakt folgen.

Gleichzeitig stellt eine Momentenregelung sicher, dass die Füße eben auf dem Boden bleiben. Die resultierende Bewegung des Roboters wird auf die einzelnen Gelenke abgebildet, die auf der unteren Ebene unabhängig geregelt werden. Läuft JOHNNIE mit Hilfe des Sichtsystems autonom, übernimmt eine zusätzliche, übergeordnete Reglerebene die vorausschauende Adaption der Gangmuster an die aktuellen Umweltgegebenheiten. In Experimenten konnte eine maximale Geschwindigkeit von 2,4 km/h bei einer Schrittlänge von 55 cm erreicht werden.