Kurzdarstellung
Die energieeffiziente Fortbewegung ist eine wichtige Anforderung bei der Entwicklung von zweibeinigen Robotern. Aufgrund des begrenzten Energiespeichers (Batterie) bestimmt der Energieverbrauch maßgeblich die zurückzulegende Gehstrecke. Die Energieeffizienz hängt von der für die Bewegung verwendeten Steuerung sowie vom strukturellen Design und den mechanischen Parametern des Laufsystems ab. Der Lösungsansatz ist hier die Anwendung von speziellen nachgiebigen funktionellen Systemen, die abhängig von den Umgebungsbedingungen und der Gangart eine stets vorteilhafte Abstimmung von mechanischen Systemelementen erzielen, wodurch eine hohe Energieeffizienz erreicht wird. Auf diese Weise bringen Forscher den zweibeinigen Läufern in verschiedenen Situationen und gangartübergreifend höchst energieeffizientes Laufen bei.
Motivation
In technischen zweibeinigen Laufsystemen kann durch die Anpassung von mechanischen Systemelementen, wie Federn und Dämpfern, die Eigendynamik des Systems so eingestellt werden, dass eine hohe Energieeffizienz erreicht wird. Die Abstimmung von mechanischen Elementen auf eine Gangart hat jedoch den Nachteil, dass andere Gangarten nur mit suboptimaler Effizienz ausgeführt werden können. Durch spezielle mechanische Elemente, die ihre Nachgiebigkeit und das qualitative Verhalten ändern, ist es möglich, das System gleichzeitig sowohl auf eine sich ändernde Gangart als auch auf eine variierende Umgebung stets so abzustimmen, dass seine Energieeffizienz und zugleich die Robustheit steigen aber der Regelungsaufwand gering bleibt. Derartige mechanische Elemente sind nachgiebige funktionelle Systeme – nachgiebige multistabile Mechanismen in Kombination mit funktionellen Materialien, die dazu fähig sind, ihre Nachgiebigkeit und ihr Verformungsverhaltens zu ändern. Laufsysteme mit solchen Systemen sind aus dem Stand der Technik und Forschung nicht bekannt. Deshalb sollen in diesem Vorhaben wissenschaftliche Grundlagen für den Einsatz von nachgiebigen funktionellen Systemen für ein technisches Laufsystem geschaffen werden.
Ziel
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, eine Methode zur systematischen Optimierung eines zweibeinigen Roboters zu entwickeln und anzuwenden, um die Energieeffizienz in variierenden Umgebungen und für verschiedene Gangarten zu maximieren. Die Methode basiert auf der Anwendung nachgiebiger funktioneller Systeme mit veränderlichen Eigenschaften, die gezielt für die Minimierung des Energieverbrauchs für zweibeinige Roboter modellbasiert entworfen, optimiert und eingesetzt werden.
Projektarbeiten
Im ersten Schritt wird ein unteraktuiertes Robotermodell betrachtet, das aus fünf Segmenten besteht. Seine starren Segmente sind zusätzlich durch nachgiebige funktionelle Systeme verbunden. Sie werden nicht nur auf herkömmliche Weise als Verbindungen zwischen Segmenten eines Beines, sondern auch als Verbindungen zwischen den Beinen angewendet, da sich dadurch zusätzliche und im Sinne der Energieeffizienz vorteilhafte Möglichkeiten eröffnen. Durch eine modellbasierte Untersuchung der Laufbewegungen werden optimale Kennlinien für Feder- und Dämpfer-Eigenschaften der nachgiebigen funktionellen Systeme gesucht. Derartige Systeme sollen imstande sein, vorzugsweise jede Kennlinie, die den unterschiedlichen Gangarten und Umgebungen entsprechen, nachzuahmen. Um solche nachgiebigen Systeme zu entwerfen, werden geeignete Synthese-Methoden entwickelt und für das Design nachgiebiger funktioneller Systeme eingesetzt. Die Letzteren werden dann hergestellt und auf die Funktionsfähigkeit geprüft. Ein Laufroboter mit den nachgiebigen funktionellen Systemen wird aufgebaut und getestet, um seine Energieeffizienz nachzuweisen und zu demonstrieren.
Dieses Projekt wird gemeinsam von zwei Forschungspartnern durchgeführt: das Fachgebiet Nachgiebige Systeme (FG NSYS) der Technischen Universität Ilmenau (TU Ilmenau) und das Institut für Technische Mechanik (ITM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Zu erwartende Ergebnisse
Die ersten Ergebnisse erlauben bereits ein Energieersparnis von über 70% bei Fortbewegung eines Laufsystems mit nachgiebigen funktionellen Systemen im Vergleich zu einem herkömmlichen Läufer. Das Laufsystem passt sich an seine Gangart und an jeden ändernden Untergrund so an, dass es auf jedem Boden, sandig, steinig oder eben, immer energieeffizient läuft. Das führt im Vergleich mit den anderen Lauf- und Fahrsystemen zur Fähigkeit längere Strecken überwinden zu können. Das System kann daher gefährliche oder unbekannte Umgebungen, wie Katastrophengebiete, andere Planeten, weiter als herkömmliche Roboter durchdringen und Rettungs- sowie Untersuchungsaktionen und Kurieraufgaben oder ähnliches übernehmen. Der zu entwickelte Läufer ist energieeffizienter, als ein radangetriebenes Fahrzeug und kann Hindernisse besser überwinden. Er kann deshalb auch in extrem schlecht passierbaren Umgebungen, wo Rad-Lösungen ungeeignet sind, eingesetzt werden.
Die während des Projektes entwickelten Methoden können theoretisch auch auf andere Gebiete erweitert werden, wo getaktete schwingende mechanische Systeme an Energieeffizienz gewinnen sollen. Deren Schwingungsverhalten wird durch den Einsatz entwickelter Methoden bei ändernden Bedingungen stets im Resonanzbereich gehalten, was eine hohe Effizienz verspricht. Automatisierte Produktionsketten sind hierfür ein Beispiel.
Links:
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Website des Fachgebiets
Projektpartner
