Technische Umsetzung neurobiologischer Erkenntnisse in der Laufregelung lebensgroßer zweibeiniger Roboter

• Applicants: Professor Dr. Ansgar Büschges; Professor Dr.-Ing. Heinz Ulbrich
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 159033029

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Humanoide Roboter sind ein vielversprechendes Forschungsgebiet. Um kommerziell erfolgreich und sinnvoll als Serviceroboter im menschlichen Umfeld einsetzbar zu sein, müssen derartige Maschinen über ausgezeichnete Fähigkeiten zur Fortbewegung auf zwei Beinen verfügen. Dieses Forschungsvorhaben beschäftigt sich als Bestandteil des Paketantrages “Natur und Technik intelligenten Laufens” mit experimentellen und theoretischen Untersuchung der Übertragbarkeit neurobiologischer Erkenntnisse auf die Regelung zweibeiniger Laufmaschinen. Heute gibt es für viele Organismen detaillierte Erkenntnisse darüber, wie sensorische Signale zur Erzeugung und Kontrolle der Laufbewegung genutzt werden. Eines der Ziele dieses Forschungsvorhabens war es, die bestehende Regelung des Roboters Lola um ereignisbasierte Übergänge zwischen Gangzuständen auf Basis von Sensorsignalen zu erweitern. Ausgangspunkt für die Implementierung auf dem Roboter sind dabei die aus der Biologie bekannten Einflüsse. Während der Arbeiten zeigte sich, dass nicht alle aus der Biologie bekannten Prinzipien zur Induktion von Wechseln zwischen Gangphasen direkt in das Regelungssystem des Roboters übernommen werden können. Sinnvoll ist vielmehr, diese Prinzipien als Ausgangspunkt zu nehmen und so anzupassen, dass sie in die Struktur des technischen Laufsystems integriert werden können. So wurde beispielsweise für die technische Realisierung der biologischen Prinzipien zum Übergang von der Stemm- zur Schwingphase Kriterien entwickelt, die sich in ihrer Grundstruktur an der Biologie orientieren jedoch zusätzlich die Dynamik des Roboters berücksichtigen. In Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass die Einführung eines ereignisbasierten Zustandsüberganges die Robustheit des Laufens von Lola signifikant verbessert werden kann. Lola ist mit diesem System in der Lage, deutlich höhere zuvor unbekannte Hindernisse zu überwinden als ohne diese Komponente.

Publications

• (2011). Dominance of local sensory signals over inter-segmental effects in a motor system: experiments. Biological Cybernetics, 105(5–6)399:411
  Borgmann, A.; Toth, T. I.; Gruhn, M.; Daun-Gruhn, S.; Büschges, A.
  
• (2012). Event-Based Walking Control – From Neurobiology to Biped Robots. In: Proc IEEE/RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems (IROS)
  Buschmann, T.; Ewald, A.; Ulbrich, H.; Büschges, A.
  
• (2013). A laser-supported lowerable surface setup to study the role of ground contact during stepping. Journal of Neuroscience Methods, 215: 224–233
  Berendes, V Dübbert, M.; Bockemühl, T.; Schmitz, J.; Büschges, A.; Gruhn, M.