Robotisches Laufen mit strukturell deformierbaren Beinen

• Antragsteller: Professor Dr. C. David Remy
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 561973739

Für die Fortbewegung auf Beinen ist Elastizität von großem Vorteil. Elastische Elemente können Stöße abfangen, wie sie beim Bodenkontakt der Füße entstehen. Sie können elastische Energie zwischenspeichern und sie können dynamische Bewegungen beeinflussen und effizient erzeugen. In der Biologie ist Elastizität immanent in Muskeln, Sehen und Bändern verankert, und Bewegungsarten wie Gehen oder Rennen sind speziell auf die Nutzung solcher Elastizitäten abgestimmt. In Laufrobotern wird Elastizität oft mit Hilfe sogenannter “Seriell Elastische Aktuierung“ (SEA) erzeugt. Dabei wird eine Feder in Reihe mit dem Antriebsmotor geschaltet. SEA bietet zahlreiche Vorteile: Sie schützt die Getriebe vor Stößen und entkoppelt die Massenträgheit der Motoren vom Gelenk. Zusätzlich lässt sich durch die Regelung der elastischen Verformung eine präzise Kontrolle der Gelenkdrehmomente und Bodenkontaktkräfte umsetzen. Diese Kräfte sind wichtig für die Balance während des Laufens. Sind die Federn ausreichend groß dimensioniert, können sie außerdem zur Speicherung elastischer Energie genutzt werden. Dieses Konzept, bekannt als „high-compliance SEA“, zielt darauf ab, überschüssige Energie im Laufe eines Schrittes zu speichern und wieder zurückzugewinnen. Herkömmliche SEA-Systeme habe aber auch klare Nachteil: Die Federn erhöhen das Gewicht und den Bauraum des Antriebs und erfordern zusätzliche Komponenten wie Achsen und Lager. Das mechanische Design ist vor allem dann besonders komplex, wenn die Federn darauf ausgelegt sind, größere Mengen an Energie zu speichern. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts verfolgen wir deswegen einen komplett neuartigen Ansatz für SEA: anstatt die Elastizität im Antriebsstrang des Roboters zu integrieren, schlagen wir vor, das Bein selbst als elastisches Element zu nutzen. Das heißt, wir gestalten die mechanische Struktur des Beins so, dass sie kontrollierte Verformungen zulässt. Dadurch lässt sich elastische Energie speichern, und durch die Modellierung, Messung und Regelung der Deformation lassen sich die Kontaktkräfte präzise Regeln. Wir erwarten, dass sich durch diese neue Interpretation von SEA, die Komplexität und das Gewicht von Roboterbeinen erheblich reduzieren lässt und energetisch effiziente Gangarten umgesetzt werden können. Um diese Idee zu verwirklichen, müssen wir größere Herausforderungen in Hinblick auf Modellierung, Messung/Zustandsschätzung und Regelung meistern. Auf der Entwicklung entsprechender Methoden liegt der Fokus des vorgeschlagenen Projekts. Zudem werden wir den optimalen Entwurf und die Herstellung eines solch neuen Robotertyps untersuchen und designierte Gangarten identifizieren, welche die elastische Energiespeicherung und die leichten Beine explizit ausnutzen. Davon erwarten wir uns eine verbesserte Energieeffizienz und eine höhere Spitzengeschwindigkeit. Diese Vorteile werden wir an einem zweibeinigen Roboter demonstriert, der im Rahmen des Projekts entwickelt und implementiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen