Beschreibung

Die Dynamik von zweibeinigen Gehmaschinen ist durch das nichtlineare Modell, die wechselnden Bindungen und die auftretenden Stöße gekennzeichnet. Der Energieverbrauch von existierenden aktiven Gehmaschinen ist relativ hoch, weshalb Gehen nur für sehr kurze Zeit oder nur mit externer Energieversorgung möglich ist. In diesem Projekt wird deshalb das Prinzip des "passiven dynamischen Gehens" ausgenutzt, um energieeffizientes Gehen zu verwirklichen. Nach diesem Prinzip kann eine zweibeinige Maschine mit Knien in einer natürlichen periodischen Gehbewegung eine leicht schiefe Ebene hinuntergehen. Werden geeignete Anfangsbedingungen gewählt, um den Gehzyklus zu starten, so wird er allein durch die Eigendynamik der Beine unter dem Einfluss der Schwerkraft erzeugt und aufrechterhalten. Die passive Gehbewegung ist durch das Auftreten von Stößen im Kniegelenk und zwischen Fuß und Boden charakterisiert. Die dabei auftretenden Energieverluste werden gerade durch die Umwandlung von potentieller in kinetische Energie beim Gehen auf der schiefen Ebene ausgeglichen. Ein periodischer Gehzyklus erfordert spezielle Anfangsbedingungen. Um solche Anfangsbedingungen für ein Modell zu finden, wird das zugehörige zweiseitige Randwertproblem iterativ gelöst.

Zum Gehen auf einer horizontalen Ebene wird dasselbe Modell mit Aktoren in den Gelenken betrachtet. Wird die passive Bewegung als Referenz vorgegeben, so kann das Modell aktiv geregelt auf einer horizontalen Ebene gehen. Die Kombination der passiven Dynamik mit aktiver Energiezufuhr führt dabei zu sehr energieeffizientem Gehen. Simulationsergebnisse zeigen, dass der Energieaufwand beim Gehen ausgedrückt durch den Spezifischen Widerstand vergleichsweise niedrig ist. Damit erscheint andauerndes autonomes Gehen, d.h. Gehen mit Energieversorgung auf der Maschine, unter Ausnutzung ihrer Eigendynamik realisierbar.

Um auch Prinzipien aus der Biologie miteinzubeziehen, werden Simulationen des Inversen Problems der Dynamik zum menschlichen Gehen durchgeführt. Dabei ist vor allem auch die Ursache und Funktion der schwingenden Armbewegung während des Gehens von Interesse. Der gewonnene Einblick in die menschliche Gangart dient als Grundlage zum Reglerentwurf für die Armbewegung von zweibeinigen Gehmaschinen.

Publikationen

	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Balancing of Biped Walking Machines, In: Proceedings of Euromech 375, Biology and Technology of Walking, Munich, Germany, March 23-25, 1998. Org. by F. Pfeiffer, Lehrstuhl B für Mechanik, Technische Universität München, 1998, 57-65.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Spatial Balancing of Biped Walking Machines, In: Ro.Man.Sy. 12 - Theory and Practice of Robots and Manipulators, Proceedings of the Twelfth CISM-IFToMM Symposium, Paris, France, July 6-9, 1998. A. Morecki; G. Bianchi; M. Wojtyra (eds.), Springer-Verlag, Wien, 1998, 369-376.
	Gruber, Stefan: Massenausgleich und Schwingungstilgung bei Robotern, Zwischenbericht ZB-107. Stuttgart: Universität, Institut B für Mechanik, 1998.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Low-Energy Biped Locomotion. In: Ro.Man.Sy. 13 - Theory and Practice of Robots and Manipulators, Proceedings of the Thirteenth CISM-IFToMM Symposium, Zakopane, Poland, July 3-6, 2000. A. Morecki; G. Bianchi; C. Rzymkowski (eds.), Springer-Verlag, Wien, 2000, 459-466.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Towards Autonomous Bipedal Walking. In: CLAWAR 2001 - Proceedings of the Fourth International Conference on Climbing and Walking Robots, Karlsruhe, Germany, September 24-26, 2001. K. Berns and R. Dillmann (eds.), Professional Engineering Publishing Limited, Bury St Edmunds and London, UK, 2001, 757-762.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Ein Beitrag zum autonomen zweibeinigen Gehen. PAMM, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 1, 1, 2002, 111-112.
	Gruber, Stefan; Ludwig, Oliver: Analyse der Armbewegung beim menschlichen Gehen, Zwischenbericht ZB-130. Stuttgart: Universität, Institut B für Mechanik, 2002.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Inverse Dynamics Power Saving Control of Walking Machines. In: Ro.Man.Sy. 14 - Theory and Practice of Robots and Manipulators, Proceedings of the Fourteenth CISM-IFToMM Symposium, Udine, Italy, July 1-4, 2002. To appear.
	Gruber, Stefan; Schiehlen, Werner: Biped Walking Machines: A Challenge to Dynamics and Mechatronics. In: WCCM V - Fifth World Congress on Computational Mechanics, Online Proceedings, Vienna, Austria, July 7-12, 2002. H. A. Mang, F. G. Rammerstorfer and J. Eberhardsteiner (eds.). To appear.
	Witte, Hartmut; Fischer, Martin S.; Gruber, Stefan; Ludwig, Oliver; Preuschoft, Holger: Human bipedality: mechanical preconditions and morphological adaptions, Courier Forschungsinstitut Senckenberg. To appear.

Weitere Seiten zu diesem Thema

• DFG Schwerpunktprogramm "Autonomes Laufen"

Ansprechpartner

• Dipl.-Ing. S. Gruber