Roboter, die sich so mühelos wie Menschen bewegen
Humanoide Roboter werden in den kommenden Jahren weitaus häufiger anzutreffen sein. Dennoch führen viele von ihnen ihre Bewegungen im Vergleich zu den Menschen, die sie nachahmen, auf ziemlich roboterhafte Weise aus. Menschen und Tiere bewegen sich außerordentlich geschmeidig durch natürliche Schwingungsmuster. Zu diesen energieeffizienten Bewegungen, die als „intrinsische Dynamik“ bezeichnet werden, gehören der natürliche Trab, in den Vierbeiner beim Laufen fallen, und die Art und Weise, wie sich die Muskeln beim Gehen auf starrem Untergrund versteifen. In dem EU-finanzierten Projekt M-Runners haben Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR)(öffnet in neuem Fenster) und der Technischen Universität München(öffnet in neuem Fenster) (TUM) ein Werkzeug entwickelt, das intrinsische Dynamik in Robotersystemen reproduzieren kann. Die Forschung wird nicht nur dafür sorgen, dass sich Roboter auf der Erde reibungsloser bewegen, sondern auch zur Entwicklung von Robotern beitragen, die sich durch schwierige Situationen außerhalb der Erde manövrieren können. „Dabei ging es um elastische Roboter und wie man sie mit minimalem Steuerungsaufwand konstruiert und antreibt“, erklärt Alin Albu-Schäffer(öffnet in neuem Fenster), der die beiden Forschungsgruppen am DLR und an der TUM leitet. „In Zukunft könnte dies zur Entwicklung von äußerst energieeffizienten Robotern beitragen, was bei der Erkundung anderer Planeten, auf denen die Energieversorgung begrenzt ist, unerlässlich ist“, fügt er hinzu.
Identifizierung von Schwingungen in der Fortbewegung
Das neuartige Analysewerkzeug ist in der Lage zu ermitteln, welche Bewegungen in einem System am wirtschaftlichsten – und am effizientesten – sind. Es wurde entwickelt, um intrinsische Schwingungen nichtlinearer Systeme zu erkunden, also solche Bewegungen, die in einem idealisierten Modell ohne jeglichen Kraftaufwand in Gang gesetzt werden können. Das Werkzeug ist in der Lage, die natürliche Dynamik sehr komplexer nichtlinearer Systeme zu erkennen, darunter auch die des vierbeinigen Roboters BERT, der von Albu-Schäffer am DLR entwickelt wurde. Im Rahmen des Projekts identifizierten die Teams sechs verschiedene Bewegungsmuster für BERT, die so mühelos ablaufen, dass sie in einer reibungsfreien Welt ohne Energie auskommen würden. Beim irdischen Roboter müssen lediglich Energieverluste durch Bodenaufprall und Reibung ausgeglichen werden, die Koordination zwischen den Gliedmaßen erfolgt jedoch mühelos. Diese Bewegungen ähneln der Gangart von Vierbeinern – wie Gehen, Hüpfen und Traben.
Identifizierung und Charakterisierung der natürlichen Dynamik
Das wichtigste Ergebnis war die Entwicklung eines besseren Verständnisses darüber, wie die natürliche Dynamik nichtlinearer Systeme identifiziert und charakterisiert werden kann. Dies half bei der Konzeption energieeffizienter „Steuerungen“, die intrinsische Bewegungen von Robotersystemen unterstützen. „Das Steuerungskonzept des Roboters BERT besteht darin, den externen Steuerungsaufwand möglichst gering zu halten und sich stattdessen auf die Mechanik des Systems selbst zu verlassen“, ergänzt Albu-Schäffer. „Die Trajektorien werden dem System nicht aufgezwungen, sondern wirken unterstützend bei die natürlichen Bewegungen, zu denen das System physikalisch neigt“, erläutert er.
Forschung zur Robotik im Weltraum
Die Forschungsarbeit im Bereich der Weltraumrobotik geht weiter, und eine Version von BERT wurde bereits bei mehreren Weltraummissionen getestet. „Der Roboter in unserem Institut wurde von Astronauten an Bord der ISS im Rahmen des Projekts Surface Avatar(öffnet in neuem Fenster) gesteuert“, so Albu-Schäffer. „Diese Missionen untersuchten vor allem den Aspekt der Fernsteuerung eines Vierbeiners für die Erforschung des Weltraums. Er ist auch für die spätere Anwendung von BERT auf dem Mond oder Mars wichtig“, schließt er. Das Team wendet die im Rahmen des Projekts entwickelten Methoden derzeit auf den Entwurf eines neuen humanoiden Roboters an, der schneller und effizienter laufen und sich bewegen soll als die heutigen Roboter. Anwendungen für diese Roboter wird es in der Weltraumforschung geben, aber auch für alltägliche Aufgaben auf der Erde – wie beispielsweise im Haushalt.
Schlüsselbegriffe
M-Runners, Roboter, humanoid, Bewegung, Schwingungen, Fortbewegung, natürliche Dynamik, Robotik, Weltraum
