Zweibeinige Laufmaschinen mit passiven Elementen

Energie und Stabilitätsbetrachtungen von zweibeinigen Laufmaschinen mit elastischen und dissipativen Elementen

 

Das Projekt „Elastische Mechanismen“ (UL 105/32) ist Teil des DFG Paketantrages „Natur und Technik intelligenten Laufens“ (DFG PAK 146). In Zusammenarbeit mit den Biomechanikern des Lauflabors (www.lauflabor.de) der Universität Jena, wird der Einfluss von elastischen und dissipativen Elementen auf das technische zweibeinige Gehen untersucht.

 

Im Bereich der technischen zweibeinigen Lokomotion sind zwei unterschiedliche Umsetzungsweisen basierend auf verschiedenen Zielstellungen etabliert. Das sind zum einen vollaktuierte Humanoide Roboter und zum anderen passiv-inspirierte Läufer. Ein Merkmal von Humanoide Roboter ist ihre große Flexibilität bedingt durch viele aktuierte Freiheitsgrade, diese führen allerdings auch zu einem relativ hohen Energieverbrauch. Eine effiziente Bewegung ist hingegen ein Merkmal von passiv-inspirierten Systemen. Im Verlauf eines Gangzyklus können elastische Elemente Energie speichern und diese später wieder abgeben. Nachteilig wirken sich die passiven Gelenke dagegen auf die Bewegungsmöglichkeiten dieser Läufer aus.

 

Im Rahmen dieses Projektes wird ein Humanoider Roboter mit passiven Elementen untersucht. Hierbei sollen die Vorteile der elastischen Elemente zur Energiespeicherung ausgenützt sowie die Auswirkungen auf die Stabilität des Systems untersucht werden. Die Geometrie und Topologie des erstellten Mehrkörpermodells basiert auf den Humanoiden Robotern Johnnie und Lola. Das Modell wird mittels zweier unterschiedlicher Antriebskonzepte aktuiert.

 

Für das erste Modell wird eine Aktuation vergleichbar mit einem biologisch-passiv-inspirierten System gewählt. Diese ist an den JenaWalker II aus dem Lauflabor der Universität Jena angelehnt. Hierbei werden ausgewählte Muskelgruppen des menschlichen Beines mittels Feder-Dämpfer-Elemente, mit linearer bzw. progressiver Charakteristik, nachgebildet. Das Modell wird einzig durch zwei Motoren an der Hüfte angetrieben.

 

Für das zweite Modell basiert die Aktuation auf der von klassischen Humanoiden Robotern wie z.B. Lola und Johnnie. Hierfür wird der „starre“ Antriebsstrang um elastische Elemente ergänzt. Diese können parallel oder seriell zu Motor und Getriebe eingebunden werden.

 

Im Allgemeinen rufen passive Elemente viele Fragestellungen hervor, von der Ermittlung eines optimalen Parametersatzes für die passiven Elemente bis hin zur Dynamik des entstandenen Systems. Zur systematischen Parameterermittlung und Untersuchung der Modelle werden numerische Methoden implementiert, so wird u.a. ein optimaler Satz an Parametern mittels numerischer Optimierung erzeugt und stabile, periodische Grenzzykel durch eine Schussmethode ermittelt. Die resultierende Systemcharakteristik wird in Hinblick auf Energieeffizienz und Stabilitätsverhalten untersucht.