Entwurf, Aktuierung und Regelung elastischer Roboter

In den letzten Jahrzehnten wandelte sich der Entwurf von Robotern ausgehend von starren Mechanismen hin zu solchen mit elastischen Eigenschaften. Ein großer Vorteil nachgiebiger Mechanik und/oder Aktuierung ist eine höhere Sicherheit in der Mensch-Roboter-Interaktion.

Durch Ausnutzung der Eigendynamik kann zudem der Energiebedarf des Systems deutlich reduziert werden. Diese vielversprechenden Eigenschaften erfüllen die Anforderungen nutzernaher und mobiler Assistenzroboter. Es kommen jedoch neue technische Fragestellungen hinzu, da die Gesamtkomplexität der Systeme und die Anforderungen an deren Regelung steigen. Besondere Herausforderungen ergeben sich darüber hinaus, wenn Mensch und (Assistenz-)Roboter kooperativ arbeiten sollen.

Unsere Forschung konzentriert sich derzeit auf den Entwurf und die Regelung elastisch-aktuierter Roboter hinsichtlich Energieeffizienz und Fehlertoleranz. Dies umfasst die Konfiguration von elastischen Elementen und Antrieben, die Auslegung von Mechanismen zur Steifigkeitsvariation und die Entwicklung von Regelalgorithmen. Dabei ist eine vollständige Modellierung des Antriebsstrangs mitsamt den Wechselwirkungen mit der (nichtlinearen) Kinematik notwendig, um die Eigendynamik zu verstehen. Durch Systemintegration, fehlertolerante Designs und Sicherheitsmanagement wird die praktische Anwendbarkeit solcher Aktoren unterstützt. Ein weiterer Aspekt unserer Forschung zielt darauf ab, die Wahrnehmung von Nachgiebigkeiten durch den Menschen und die Verwendung dieser zur Unterstützung, bspw. in der Prothetik, zu untersuchen.

Derzeitige Projekte zu diesem Thema:

Unterstützt durch das „Athene Young Investigator“ – Programm der TU Darmstadt

Dieses Projekt kombiniert Methoden aus den Ingenieurwissenschaften und Humanwissenschaften zur Bearbeitung des multidisziplinären Gebiets tragbarer Robotiksysteme für die Bewegungsunterstützung und –augmentation.

Durch die Berücksichtigung von Human Factors im Reglerentwurf werden Algorithmen entwickelt, die eine effiziente und natürliche Unterstützung bieten und verhindern, dass sich Nutzer „durch den Roboter gesteuert“ fühlen. Psychophysikalische Experimente zur Erfahrung der Steifigkeit tragbarer Roboter durch die Nutzer führt den Impedanzregelungsentwurf. Bei entsprechender Anpassung erleichtern diese Algorithmen vielseitige Fortbewegungsarten und werden fehlertolerant. Zusätzliche psychometrische und Human-in-the-Loop-Studien untersuchen den Einfluss der Algorithmen auf die Körperschemaintegration der tragbarer Robotiksysteme durch ihre Nutzer. Zur praktischen Validierung werden eine adaptive Unterschenkelprothese und eine aktive Knieorthese als Demonstratoren verwendet. Die Ergebnisse ermöglichen die Spezifizierung einer mensch-orientierten Reglerentwurfsmethode, die der Verbesserung von Nutzerakzeptanz und -zufriedenheit dient.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Gefördert durch die DFG: BE 5729/1

Durch die Integration elastischer Komponenten in die Aktorik von Robotern steigt die Komplexität des Gesamtsystems. Des Weiteren werden solche Systeme potentiell in kritischen Betriebszuständen wie z. B. (Anti-)Resonanzen betrieben. Daher zielt das DFG-geförderte Projekt „Fehlerdiagnose und –toleranz für elastische Antriebssysteme in der Robotik“ darauf ab, den resultierenden Fehlern in elastischen Aktorsystemen durch Fehlerdiagnose und fehlertolerantes Design zu begegnen. Um ein tiefgreifendes Verständnis von Fehlern in elastischen Aktoren zu erhalten, werden strukturierte Analysemethoden angewendet und Algorithmen zur Fehlerdiagnose sowie Toleranz-Mechanismen in Simulationen und Experimenten untersucht.

Um die Wahrscheinlichkeit und Schwere von Fehlern in elastischen Antrieben zu bewerten, bitten wir interessierte Experten darum, an unserer Fragebogenstudie teilzunehmen.

Kontakt: Florian Stuhlenmiller,

Gefördert durch die DFG: BE 5729/2

In Kooperation mit der Vrije Universiteit Brussel untersuchen wir den Einfluss der Konfiguration von Aktuator und Elastizität auf die Eigendynamik elastischer Antriebe und deren Leistungs-/Energieanforderungen. Hierzu werden in Simulationen und Experimenten starre, seriell- und parallelelastische Konfigurationen gegenübergestellt. Anhand der Ergebnisse werden Rückschlüsse für die Aktorauslegung und die Steifigkeitsregelung gezogen.

Kontakt: Philipp Beckerle,

Abgeschlossene Projekte zu diesem Thema:

Gefördert durch die DFG: RI 2086/7

Ziel des DFG geförderten Forschungsprojektes ist die Entwicklung von Konzepten und Komponenten, die es ermöglicht, Nutzern in dynamischen Situationen adäquate Unterstützung und Sicherheit zu bieten. Hierzu kooperieren wir mit dem Prothesenhersteller Blatchford Product Limited, UK. Durch Kompetenzbündelung von ganzheitlicher Systemarchitektur mechatronischer Systeme seitens des IMS und langjähriger Erfahrung in Prothesenentwicklung sollen innovative Konzepte generiert werden.

Nach Durchführung und Analyse von Probandenstudien mit eigens entwickelter Messtechnik, werden anforderungsgerechte Konzepte für Prothesenkomponenten entwickelt. Eine ganzheitliche mechatronische Entwicklungsmethodik integriert unter anderem Gangerkennungsalgorithmen und Regelkonzepte sowie deren Auslegung und Evaluation. Nach Realisierung von Prototypen werden diese mittels Prüfstand und Nutzertests evaluiert.

Kontakt: Florian Stuhlenmiller,

Bild: IMS

Das durch die TU Darmstadt finanzierte Projekt zielte auf aktive Beinprothesen ab, die nutzerfreundlich und energieeffizient sind. Zur Entwicklung nutzer-orientierter Technik wurden Human Factors psychologisch analysiert und in Ingenieurmethoden integriert. Um die Energieeffizienz zu erhöhen, wurden elastische Antriebssysteme und deren Regelung durch Simulationen des menschlichen Ganges mit und ohne Prothese ausgelegt.

Kontakt: Philipp Beckerle,