Hybride Elektro-Pneumatische Aktuation (EPA) für Laufbewegungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Maziar Ahmad Sharbafi, Ph.D.; Professor Dr. André Seyfarth
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 361684937

Ein besseres Verständnis darüber, wie das Design von Aktuatoren lokomotorische Funktionen unterstützt würde die Konstruktion und Entwicklung von neuartigen und leistungsfähigeren Assistenzsystemen und von Laufrobotern unterstützen. Die pedale Lokomotion kann als eine Komposition von lokomotorischen Grundfunktionen beschrieben werden, welche die axiale Beinfunktion, die Schwungbeinfunktion als auch die Balance (posturales Gleichgewicht) umfasst. Dieses Projekt ist fokussiert auf die axiale Beinfunktion (z.B. beim federartigen Hüpfen) basierend auf dem neuartigen Konzept eines hybriden elektrisch-pneumatischen Antriebs (EPA). Diese grundlegende lokomotorische Grundfunktion bestimmt die Bewegung des Körperschwerpunkts. Es ist geplant, EPA Prototypen als erweiterte Variable Impedanz Aktuatoren (VIA) zu konstruieren und herzustellen. Im Gegensatz zu bestehenden VIAs bieten EPA nicht nur eine anpassbare Compliance (z.B. einstellbare Feder) sondern mit dem pneumatischen künstlichen Muskel (PAM) gleichzeitig einen leistungsfähigen Aktuator mit muskel-ähnlichen Eigenschaften, welcher in verschiedenen Konfigurationen (z.B. in Serie oder parallel) zum elektrischen Motor (EM) angeordnet werden kann. Dieser neue hybride Aktuator verbindet somit die Vorteile von EM und PAM in Form von präziser Regelung mit elastischer Energiespeicherung für eine effiziente, robuste und vielseitige pedale menschenähnliche Lokomotion mit einfachen Regel- und Ansteuerungsmodellen.Basierend auf Experimenten mit Menschen wird das EPA Design optimiert auf einen minimalen Energiebedarf und eine maximale Robustheit bezüglich Perturbationen in einem gewünschten Arbeitsbereich. Wir betrachten menschliches Hüpfen als eine grundlegende Bewegung, welche auf das axiale Beinverhalten fokussiert istMit einem Muskel-Skelett Modell zur Beschreibung des menschlichen Hüpfverhaltens wird die Zielfunktion für den biologischen Aktuator (der Muskel) durch "inverse optimal control" bestimmt. Diese biologische inspirierte Kostenfunktion ermöglicht es uns, das geeignetste EPA-Design zu identifizieren. Der MARCO-2 Hüpfroboter wird mit EPA ausgestattet, um das Aktuator-Design zu demonstrieren und zu evaluieren.Mit seinen mechanischen Eigenschaften und der flexiblen Anordnung im Mehrsegment-System stellt der EPA einen neuartigen Aktuator dar, der die menschliche Muskel-Funktion nachbildet und sich auf verschiedene Gangsituationen (z.B. Laufgeschwindigkeit) mechanischen anpassen kann. Erste Experimente und Simulationsstudien in unserer Gruppe zeigen die erwarteten Vorteile von der Kombination von PAM und EM auf. Wir erwarten, dass nur ein beschränkter Austausch von sensorischen Informationen zwischen den Reglermodellen der lokomotorischen Grundfunktionen erforderlich ist, wodurch eine modulare Architektur der Lokomotions-Reglermodelle ermöglicht wird. Mit der EPA Technology können neue, vielseitige, effiziente und robuste Laufsysteme für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Philipp Beckerle; Professor Dr. Daniel Häufle; Professor Dr.-Ing. Rico Moeckel, Ph.D.; Professor Dr. Christian Rode; Professor Dr.-Ing. Bram Vanderborght, Ph.D.