Hybride, biologisch-inspirierte Haftstrukturen und adaptive neuromechanische Kontrolle für hoch-effiziente Lokomotion und Anpassungsfähigkeit eines autonomen Kletterroboters

• Antragsteller: Professor Dr. Stanislav N. Gorb
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Biologie des Verhaltens und der Sinne
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410547361

Kletterroboter, im Allgemeinen, können sich auf glatten und rauem Untergründen und an Wänden und Decken bewegen. Damit erfüllen sie wesentliche Voraussetzungen für vielfältige Anwendungsgebiete, beispielsweise im Bereich der öffentlichen und nationalen Sicherheit, Aufklärung in Katastrophengebieten und städtischer Dienstleistungen. Insbesondere vielbeinige Kletterroboter weisen eine hohe Anpassungsfähigkeit an ihre Umgebung auf, können komplexes Terrain überschreiten und haben eine gute Bewegungsanpassung. Die Steuerung solcher Roboter wird derzeit hauptsächlich durch klassische ingenieurwissenschaftliche Ansätze geregelt, in denen die Konzepte des „online learning“ und adaptiver Steuerung noch nicht in Gänze ausgeschöpft werden. Das limitiert die allgemeine Leistungsfähigkeit von Robotern zur Bewegung in sich unvorhersehbaren und sich ändernden Umgebungen.Im Gegensatz dazu können Geckos, Spinnen und Insekten diese Aufgaben mühelos erfüllen. Sie können sich zuverlässig auf verschiedensten Untergründen, unabhängig ob an der Wand oder Decke, festhalten und laufen. Dies ist ihnen möglich durch den Einsatz verschiedener Haftsysteme: Krallen zur Verhakung an grob rauen Oberflächen und Haftkissen, besetzt mit mikro- und nanoskopischen Hafthärchen, für glatten und fein raue Oberflächen. Des Weiteren scheinen sie ihre Haftfähigkeit in sich ändernden Umgebungen „messen“ zu können und ihre Fortbewegung darauf einstellen zu können. Dies geschieht durch das Zusammenspiel ihrer Biomechanik (Haftsystem), Sensorik und adaptiven neuronalen Kontrolle. Eine Übertragung dieser Mechanismen in die Robotik, zur Entwicklung neuartiger Kletterroboter, würde zu neuen, deutlich flexibleren Einsatzbereichen führen.Daher ist es das Ziel dieses Projektes 1) das Zusammenspiel der verschiedenen Haftsysteme (Krallen und haarige Haftkissen), insbesondere von Synergieeffekten zwischen den einzelnen Komponenten und des Einsatzes der „multiple-peeling“ Strategie zur Haftungskontrolle, zu untersuchen und zu analysieren. Des Weiteren soll 2) die Fortbewegung von Tieren hochauflösend analysiert werden. Dazu wird das Laufverhalten und das Auftreten von Reaktionskräften auf dem Untergrund dynamisch mit unserer etablierten Versuchsanordnung untersucht und auf dynamische Vielbeinmodelle übertragen. Darüber hinaus wird 3) eine adaptive neuromechanische Steuerung des Bewegungsapparates mit sensorischer Rückkopplung und instantaner Anpassung für eine robuste und effiziente Fortbewegungsstrategie entwickelt. Schließlich sollen 4) die Entwicklung eines bionischen Fußes mit hybridem Haftsystem (Kralle und Haftkissen) und die adaptive neuromechanische Steuerung in unsere autonome Kletterroboterplattform implementiert werden und dessen Leistungsfähigkeit auf verschiedenen Untergründen, unterschiedlichen Steigungen und sich dynamisch verändernden Umgebungen validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aihong Ji; Professor Dr.-Ing. Poramate Manoonpong