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The Walking Robot: Motoren treiben Knöchel-, Knie- und Hüftgelenk an

| Redakteur: Sandra Häuslein

Warum es so schwierig ist einen Roboter mit menschenähnlichem Gang zu entwickeln, zeigen Studenten aus Texas an ihrem Roboter Amber 2, dessen Beine mit Motoren von Maxon Motor ausgestattet sind.

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Der Roboter Amber 2 wurde unter Verwendung hochwertiger und präziser Bauteile gefertigt, um ein natürlicheres Gehverhalten als andere Roboter zu erzielen.
Der Roboter Amber 2 wurde unter Verwendung hochwertiger und präziser Bauteile gefertigt, um ein natürlicheres Gehverhalten als andere Roboter zu erzielen.
( Bild: Texas A&M University )

Wird ein Mensch mitten in seiner Schrittbewegung gestoppt, fällt er meist hin. Das liegt an der dynamischen Gangart, mit der sich Menschen fortbewegen. Soll diese menschliche Gangart nun auf einen Roboter übertragen werden, muss die Frage geklärt werden: Wie bleibt der Roboter jederzeit im Gleichgewicht?

Bei den meisten, heute gebauten Robotern kommt eine Fortbewegungsmethode zum Einsatz, die als quasistatische Fortbewegung oder Zero-Moment-Point-Gehtechnik (ZMP) bezeichnet wird. Dies besagt, dass zum Zeitpunkt des Aufsetzens des Fußes kein horizontales Trägheitsmoment anliegt. Wird der Roboter mitten in seiner Gehbewegung ausgeschaltet, bleibt er also aufrecht. Er befindet sich in einem statisch quasistabilen Gleichgewicht. Der menschliche Gang funktioniert anders und so besteht die Herausforderung, den dynamisch gehenden Roboter jederzeit in aufrechter Position halten zu können.

Roboter mit vielen Einsatzmöglichkeiten

Professor Dr. Aaron Ames vom A&M Bipedal Experimental Robotics Lab (Amber) in Texas leitet ein Team von Studenten, das sich die Entwicklung, Simulation und Herstellung eines solchen Roboters mit menschlichem Gang zur Aufgabe gemacht hat. Der Amber 2 ist ein bedeutendes Projekt, denn denkbar Einsätze sind vielseitig: in der Raumfahrt, im Katastrophenschutz, in Militäroperationen, zur Unterstützung älterer Menschen, in der Rehabilitationsmedizin und in der Prothetik. Das Team fand heraus, dass sich durch den Einsatz spannungsabhängiger Regler Rückmeldungen leichter in die Konstruktion integrieren lassen und so eine dynamischere Gehtechnik erzielt werden kann.

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Dr. Ames erklärt: „Die erste Hürde ist die mathematische Gestaltung eines derart hochdynamischen Systems. Das nächste Problem ist, die Regler und andere Hardware so zu bauen, dass sie machen, was wir wollen. Wir haben uns entschieden den Amber 2 ähnlich wie unseren ersten Roboter von Grund auf neu zu konstruieren. Das führte von den ersten CAD-Zeichnungen über mathematische Analyse und die Simulation und Konstruktion der Regler bis zur Steuerung der endgültigen Ausführung auf oberster Ebene mit Labview von National Instruments.“ Jedes Element in der Konstruktion musste genau durchdacht, mit Computern analysiert und dann bestellt werden. „Wir konnten unsere Zahlen nicht einfach Pi mal Daumen schätzen“, erklärt Dr. Ames. „Vor allem nicht für die mechanischen Abläufe in den Beinen des Roboters.“ Die jungen Forscher erkannten, dass sie Motoren und Getriebe verwenden mussten, die Drehmomente zwischen 8 und 12 Nm und Drehzahlen von 5 bis 6 rad/s lieferten. Dr. Ames erklärt weiter: „Bei diesen geringen Drehzahlen war unsere vorrangige Sorge, dass Rastmomente den reibungslosen Ablauf stören könnten.“ Das Team entschied sich deshalb in der endgültigen Version des Roboters für Motoren von Maxon Motor. „Im Zuge unserer Arbeit fanden wir heraus, dass deren Datenblätter sehr genau sind“, ergänzt er.

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Bild: Texas A&M University; ; Texas A&M University; Maxon Motor; gemeinfrei; Messe Düsseldorf; Devicemed; Axel Schmidt/ Siemens Healthineers AG; Gemü; Reichelt Chemietechnik; ©Marc/peshkova - stock.adobe.com / Cadera Design; DPMA; B. Braun Melsungen AG; ©mari1408 - stock.adobe.com; Foba; DK Fixiersysteme; Transline; ©hati - stock.adobe.com; Crate.io; Die Storyfactory / Devicemed; Andreas Jürgens, 2W; BV-Med; Erbe Elektromedizin; Volker Mai; Hochschule Stralsund; NUS National University of Singapore; Fergal Coulter/ETH Zürich