Am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik der TU München wird der humanoide Roboter „Lola" entwickelt. Ziel ist die Realisierung schnellen, menschenähnlichen und autonomen Gehens. Angestrebt wird die durchschnittliche Geschwindigkeit des Menschen, also etwa 5 km/h.

Lola hat die Proportionen eines durchschnittlichen, 180 cm großen Erwachsenen und wiegt etwa 60 kg. Der Roboter hat 25 angetriebene Gelenke. Je sieben Antriebe befinden sich in den Beinen, drei in den Armen und zwei im Becken. Der Stereo-Kamerakopf verfügt über drei Gelenke. Lola ist weitgehend autonom, lediglich die Energie wird von außen zugeführt.

Ihr mechanischer Aufbau ist charakterisiert durch konsequenten Leichtbau und eine redundante kinematische Konfiguration, die natürlichere und flexiblere Bewegungen ermöglicht. Für die Gelenke wurden modulare, multisensorische Antriebsmodule mit hoher Leistungsdichte auf Basis von AC-Servomotoren und Harmonic Drive-Getrieben beziehungsweise Rollengewindetrieben entwickelt.

Stabil trotz tiefliegendem Massenschwerpunkt

Im Gegensatz zum Menschen befindet sich bei Lola der Massenschwerpunkt – wie bei den meisten zweibeinigen Robotern – unterhalb des Hüftgelenks. Da die Stabilität jedoch mit höheren Schwerpunktslagen zunimmt, ist die Optimierung der Massenverteilung in den Beinen ein zentrales Thema der Konstruktion: Ein Spindelantrieb im Kniegelenk (viergliedriges Koppelgetriebe) verbessert die Massenverteilung im Oberschenkel deutlich. Das Sprunggelenk wird mit einer Parallelkinematik bestehend aus zwei Linearantrieben (räumliche Schubkurbelmechanismen) aktuiert, wobei sich die Motoren am Oberschenkel befinden. Durch diese Maßnahmen konzentriert sich ein Großteil der Beinmassen nahe am Hüftgelenk, was die Massenträgheit reduziert und so zu einer erhöhten Dynamik des Gesamtsystems führt.

Die Auslegung der Strukturbauteile basiert auf einem detaillierten Mehrkörper-Simulationsmodell des Roboters. Für einige Bauteile mit komplexen Spannungszuständen und engen geometrischen Randbedingungen wurde ein belastungsgerechter Bauteilentwurf durch Topologieoptimierung ermittelt. Der Festigkeitsnachweis für hoch belastete Bauteile erfolgte mit Finite-Elemente-Berechnungen. Aluminium-Feinguss sorgt für die geforderten Struktursteifigkeiten bei minimalem Gewicht.

Nachgiebigkeiten im Antriebsstrang kompensieren

Das Sensorsystem ist so ausgelegt, dass modellbasierte Regelungsverfahren implementiert werden können. Die Gelenkwinkel und -geschwindigkeiten werden mit abtriebsseitigen, absoluten Winkelsensoren gemessen, wodurch Nachgiebigkeiten und Nichtlinearitäten im Antriebsstrang kompensiert werden können. Zur Bestimmung der inertialen Drehlage und Winkelgeschwindigkeit des Oberkörpers kommt ein hochgenaues inertiales Messsystem mit Open-Loop-Faserkreiseln zum Einsatz. Daneben wird der sechsachsige Kraftzustand in den Füßen mit einem Kraft-/Momentensensor gemessen, der sich im Kraftfluss zwischen Fersensegment und Sprunggelenk befindet. Ein kommerzielles System kommt aus Gewichts- und Bauraumgründen nicht in Frage. Zudem ist eine Integration des Sensors als Bestandteil des Fußes wünschenswert, weshalb eine Eigenentwicklung notwendig ist.

Die Sensordaten werden lokal und dezentral verarbeitet. Eine vollständig dezentrale Steuerungsarchitektur ist für humanoide Roboter nicht geeignet, da die stark gekoppelte Kinematik und Dynamik eine zentrale Reglerinstanz erfordern. Es ist jedoch vorteilhaft die Gelenkregelung auf lokale Controller, die sich direkt an den Gelenken befinden, auszulagern. Die Gelenkantriebe bilden zusammen mit den Kraftsensoren und dem inertialen Messsystem ein „intelligentes" Sensor-Aktor-Netzwerk. Sie sind mit dem Zentralrechner über ein schnelles, echtzeitfähiges Kommunikationssystem verbunden.

Lola geht Kurven und steigt Treppen

Um schnelles und stabiles Gehen sowie Kurvengehen und Treppensteigen zu ermöglichen wurde ein hierarchisches Regelungs- und Bahnplanungssystem entworfen. Dessen Aufgabe ist es, aus globalen Vorgaben zur gewünschten Gehbewegung stabile Trajektorien zu erzeugen. Die Planung der Referenztrajektorien wird durch Berücksichtigung der nächsten Schritte sowie ein genaueres Modell des Roboters verbessert. Es wird ein neuartiges Verfahren zur Planung der Kontaktkraft- und Schwerpunktstrajektorien eingesetzt. Das Verfahren ist echtzeitfähig, wodurch der Roboter schnell auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren kann.

Aufgrund von selbst kleinen Fehlern in Messwerten und Modellen sowie einer nur ungenau bekannten Umgebung ist das zweibeinige Gehen nur mittels vorausberechneter Bahnen und einer Motorregelung praktisch nicht möglich. Daher werden die geplanten Bahnen mithilfe gemessener Kontaktkräfte und -momente sowie der gemessenen inertialen Drehlage und Winkelgeschwindigkeit des Oberkörpers modifiziert.

Die hierarchische Laufregelung verbindet die Stabilisierung der globalen Dynamik durch Manipulation der Kontaktkräfte mit einer hybriden Positions-/Kraftregelung im Arbeitsraum. Die unterste Ebene der Regelungsstruktur wird durch die dezentralen Antriebsregler gebildet. Darüber befindet sich die ebenfalls dezentrale Regelung der Gelenkwinkel. Auf der übergeordneten Ebene erfolgt die Regelung der globalen Systemdynamik im Arbeitsraum. Neben der stabilisierenden Gangregelung ist auch die Sicherheit der Hardware des Roboters von großer Bedeutung. Eine Kollisionsvermeidung verhindert in Echtzeit, dass sich die steifen Strukturbauteile während der Bewegung berühren und sich der Roboter selbst Schaden zufügt.

Lola wurde auf der Hannover Messe 2010 vorgestellt. Neben den hervorragenden Geheigenschaften konnte die autonome Erkundung einer zuvor unbekannten Umgebung mit Hilfe eines Sichtsystems demonstriert werden. Das Sichtsystem wird im Rahmen des DFG-Forschungprojekts „Towards a general vision system for humanoidrobots" (HU-1743/1-1) von den Partnern des Instituts für Technik Autonomer Systeme der Universität der Bundeswehr München entwickelt.

Neben dem zentralen Thema des Laufens können mit einem derartigen Gerät weitere Themen wie

· die Optimierung des Energieverbrauchs beim Gehen

· die Steigerung der Autonomie und Wahrnehmung oder

· die verbesserte Regelung von komplexen Mehrkörpersystemen

erforscht werden.

Online-Info

www.kem.de/0711412

Die Autoren: Prof. Dr.-Ing. habil. Heinz Ulbrich ist Ordinarius und Inhaber des Lehrstuhls für Angewandte Mechanik; Thomas Buschmann, Alexander Ewald, Valerio Favot, Sebastian Lohmeier und Markus Schwienbacher sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter, alle Technische Universität München