Hürden überwinden – Effizienz und Leistungsfähigkeit auf zwei Beinen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Alexander Fidlin; Professorin Dr.-Ing. Lena Zentner
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416912124

In technischen zweibeinigen Laufsystemen kann durch die Abstimmung von mechanischen Systemelementen, wie Federn und Dämpfern in Form von nachgiebigen Mechanismen, die Eigendynamik des Systems so eingestellt werden, dass eine hohe Energieeffizienz erreicht wird. Die gesteigerte Effizienz erlaubt den Einsatz kleinerer Aktoren, was die Verluste in den Antriebssträngen weiter reduziert. Aufgrund dieses Downsizings können solche hochspezialisierten Systeme jedoch keine Bewegungen wie Sprünge auszuführen, die kurzzeitig eine sehr hohe Leistung erfordern. Hoch- und Weitsprünge sind jedoch für zweibeinige Laufsysteme elementare Bewegungsabläufe, die zum Überwinden von Hindernissen benötigt werden. Diese Sprungbewegungen treten jedoch nur vereinzelt auf, weshalb die dafür benötigte Leistung einmalig durch das Entladen eines mechanischen Energiespeichers (vorgespannte Federn) bereitgestellt werden kann. Da zur Optimierung der Eigendynamik bereits nachgiebige Mechanismen in das Laufsystem integriert sind, wird angestrebt, diese beim Durchführen von Sprüngen als Energiespeicher zu nutzen. Laufsysteme, die nachgiebige Mechanismen sowohl zur Optimierung der Eigendynamik und Effizienz beim Gehen, als auch als Energiespeicher für leistungsfähige Sprünge verwenden, sind aus dem Stand der Technik und Forschung nicht bekannt. Das Ziel des geplanten Vorhabens ist daher, die wissenschaftlichen Grundlagen zu schaffen, die die Auslegung und Integration von nachgiebigen Mechanismen sowohl zur Steigerung der Effizienz beim Gehen als auch der Leistungsfähigkeit bei Sprüngen vorantreibt. Die nachgiebigen Mechanismen sollen dafür gezielt nichtlineare Kennlinien nutzen, um im Betrieb passiv oder semi-aktiv zwischen verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten. Die Bewegungen eines zweibeinigen Läufers werden modellbasiert untersucht. Die nachgiebigen Mechanismen werden durch kinematische und dynamische Modelle beschrieben. Ein Bewegungsmodell des zweibeinigen Läufers inklusive nachgiebiger Mechanismen wird einerseits als Grundlage für Simulationen zur Entwicklung und Optimierung des Gesamtsystems genutzt; andererseits ist es die Basis für die Erweiterung und Regelung eines vorhandenen Prototyps, auf dem die entwickelten Mechanismen validiert werden. Die Anwendung der Ergebnisse ist dort möglich, wo energiesparsames Laufen und das Überwinden von Hindernissen als eine Voraussetzung gilt, beispielsweise bei extraterrestrischen Laufsystemen oder bei langen Rettungsaktionen. Außerdem können die Methoden zur Realisierung neuer Kennlinien und zum sparsamen (vorzugsweise energielosen) Umschalten zwischen diesen genutzt werden. Die zu erzielenden Untersuchungsergebnisse können für andere technische Systeme verwendet werden, bei denen neue komplexe Kennlinien und die Fähigkeit des Schaltens von einer Kennlinie zu einer anderen, insbesondere auf eine energielose Weise, erforderlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen