Die Synthese von Familien optimaler Gangarten mithilfe der numerischen Pfadverfolgung

• Antragsteller: Professor Dr. C. David Remy
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533240481

Die Fortbewegung von Menschen und Tieren zeichnet sich durch ihre hohe Anpassungsfähigkeit, Agilität und Effizienz aus. Mit einem breiten Repertoire verschiedener Gangarten kann sie an viele Situationen angepasst werden: um zu jagen, zu fliehen, Hindernissen auszuweichen oder einfach nur um mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu laufen. Dabei nutzt sie geschickt mechanisch-dynamische Effekte aus. Es ist dabei auffallend, dass sich die Gangarten verschiedener Tiere ähneln. Trotz großer Unterschiede in Gestalt, Lebensraum und Lebensstil, bevorzugen viele Tiere dieselben grundlegenden Bewegungsmuster. Menschen und Vögel gehen bei niedrigen Geschwindigkeiten und rennen bei höheren. Viele vierbeinigen Säugetiere laufen, traben und galoppieren. Diesen Ähnlichkeiten muss ein fundamentaler, physikalischer Effekt zu Grunde liegen. Das Ziel unseres Projekts ist es, diesen Effekt zu untersuchen und ihn für die Entwicklung von effizienten Laufrobotern auszunutzen. Dabei postulieren wir, dass die verschiedenen Gangarten eine Konsequenz der mechanischen Dynamik sind. Für energetisch konservative und andere passive Modelle von Laufrobotern ermöglicht diese mechanische Dynamik eine breite Palette periodischer Bewegungen, welche die Modelle ohne jeglichen Antrieb ausführen können. Bei einem einfachen Zweibeiner finden wir zum Beispiel Gehen, Rennen, Hüpfen und Galoppieren unter diesen passiven Bewegungen. In unserem Projekt schlagen wir vor, diese passiven Bewegungen als Grundlage in der Synthese von Gangarten für Roboter zu nutzen. Da passive Bewegungen keine Aktuatorleistung benötigen, können wir sie als global optimal interpretieren und sie als Vorlage verwenden, um energetisch effiziente Gangarten für echte Roboter zu generieren. Um den Übergang von vereinfachtem Model zum echten Roboter zu vollziehen, werden wir sogenannte Modellhomotopien erstellen, mit denen die passiven Bewegungen der vereinfachten konservativen Modelle systematisch zu optimalen Bewegungen für echte Robotersysteme erweitert werden können. Diese können außerdem verwendet werden, um Familien von Gangarten für verschiedene Betriebspunkte zu erzeugen. Zum Beispiel unterschiedliche Geschwindigkeiten oder Bewegungen auf unterschiedlichen Steigungen. Unsere Methoden basieren auf numerischen Pfadverfolgungstechniken, die es uns ermöglichen, den Lösungsraum systematisch und automatisiert zu erkunden. Der effiziente Einsatz verschiedener Gangarten, wie wir ihn in der Natur sehen, ist im Moment noch nicht in der Welt der Robotik angekommen. Unser Ansatz und die theoretische Arbeit, auf der er basiert, werden dazu beitragen, dieses ungenutzte Potenzial zukünftig auszuschöpfen und dadurch die Leistungsfähigkeit von Laufrobotern erheblich zu verbessern. Zum Beispiel wir es unsere Arbeit ermöglichen, die Betriebszeiten von Inspektionsrobotern zu verlängern, die Geschwindigkeit von Such- und Rettungsrobotern zu erhöhen und bessere Roboterprothesen und Exoskelette zu bauen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen