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Aus der Forschung

Federn statt Muskelmasse

Dezember 2015 — Roboter sollen mehr menscheln. Und das klappt zunehmend gut. Doch speziell das Laufen auf zwei Beinen macht bislang Probleme. Nun hat die TU München zusammen mit der Oregon State University einen Prototypen entwickelt, der sich auf zwei Füßen so behände bewegen soll wie noch nie ein Roboter zuvor.

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Wenn wir laufen, achten wir nicht bewusst auf die Struktur des Bodens. Denn der Körper hat die Gabe, kleine Unebenheiten automatisch auszugleichen, ohne dass wir stolpern oder stehen bleiben müssen. Laufroboter wie der humanoide „Asimo“ aus Japan, die dem Menschen vom Aussehen her sehr ähneln, gehen im Vergleich dazu allerdings eher langsam und steif. Auch verbrauchen sie dabei sehr viel Energie. Menschen und Tiere denken nicht über das Laufen nach, erklärt Daniel Renjewski vom Lehrstuhl für Echtzeitsysteme und Robotik an der Technischen Universität München. Die Intelligenz liege in der Mechanik. Sehnen und Muskeln federn die Unebenheiten des Untergrunds ab. „Wenn wir laufen, fallen wir sozusagen von einem Schritt in den anderen“, sagt Renjewski. Das bedeutet, unser Gang ist zeitweise instabil. Würde das Laufen mitten in der Bewegung unterbrochen, wäre die Folge, dass wir hinfallen.

Eine solche dynamische Bewegung ist schwer zu steuern bei einem Roboter, der nach klassischen technischen Prinzipien entwickelt wurde. Um kontrollieren zu können, dass die Maschine stets stabil ist und nicht umfällt, messen die Ingenieure zu jedem Zeitpunkt, wo sich der Roboter befindet und wie sein Schwerpunkt verlagert wird. Ein Preis für diese genaue Steuerung: Die Bewegungen müssen kontrolliert und steif sein. Meist laufen die Maschinen im Labor auf geradem Terrain und müssen nur definierten Hindernissen ausweichen. Renjewski und seine Kollegen an der Oregon State University hatten das Ziel, einen Roboter zu entwickeln, dessen Gang dem des Menschen gleicht. Den zweibeinigen Roboter nannten sie „Atrias“ als Akronym für: Assume The Robot Is A Sphere – zu Deutsch: angenommen, der Roboter ist eine Kugel.


Feder-Masse-Modell nicht Praxis

Die Entwicklung von Atrias basiert auf dem sogenannten Feder-Masse-Modell, das 1989 erstmals vorgestellt wurde. Es beschreibt das grundlegende Prinzip des Laufens auf zwei Beinen. Die gesamte Masse des Körpers ist dabei in einem Punkt gebündelt, der mit einer masselosen Feder verbunden ist. Die Feder steht dabei vereinfacht für die Muskeln, Knochen und Sehnen, auf die in der Realität die Kräfte beim Gehen wirken.

Um dieses theoretische Modell technisch umsetzen zu können, mussten die Forscher einige Anpassungen vornehmen. Denn in der Realität hat die Feder natürlich eine Masse. Auch wird die mechanische Energie im System durch Reibung teilweise in Wärme umgewandelt und steht nicht mehr für die Bewegung des Systems zur Verfügung. Die durch diesen Prozess fehlende mechanische Energie wird im Roboter durch Motoren zur Verfügung gestellt. Atrias hat je drei Motoren pro Bein. Zwei der Motoren wirken direkt auf die beiden Beinfedern ein. Der dritte Motor sorgt für die seitliche Stabilität des Roboters. Die Beine von Atrias machen nur 10 % seiner Gesamtmasse aus, um so nahe wie möglich an die theoretische Masselosigkeit heranzureichen.

Versuche zeigten, dass der Prototyp dreimal so effizient läuft wie andere menschengroße zweibeinige Roboter. Auch Krafteinwirkung von außen wie ein Stoß durch einen Ball oder holperiger Boden kann ihn nicht aus der Balance bringen. Jonathan Hurst von der Oregon State University und Initiator der Studie, ist sicher, dass diese Art der Fortbewegung sich in Zukunft bei den Laufrobotern durchsetzen wird. Wenn die Technologie weiter verbessert wird, könnten Roboter seiner Einschätzung nach zum Beispiel als Helfer bei der Feuerwehr eingesetzt werden. Die Forschungsergebnisse sind aber auch für Menschen von Bedeutung. Renjewski, der Mai vergangenen Jahres an die TU München gewechselt ist, beschäftigt sich in einem nächsten Schritt mit der Übertragung der gewonnenen Erkenntnisse auf Roboter zur Gang-Rehabilitation und Prothesen.

Technische Universität München
Lehrstuhl für Echtzeitsysteme und Robotik
Arcisstraße 21, 80333 München
Ansprechpartner ist Daniel Renjewski
Tel.: +49 89 289 18133
daniel.renjewski@tum.de
www.tum.de
Oregon State University
1500 SW Jefferson St.
Corvallis, OR 97331/USA
Ansprechpartner ist Jonathan Hurst
Tel.: +1 541 7377010
jonathan.hurst@oregonstate.edu
www.oregonstate.edu

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