Laufmaschinen

• Vorteile von Laufmaschinen:
  • nur wenig erreichbare Aufsetzpunkte, hohe Mobilität, Schonung des Untergrunds, bessere Traktion bei weichen Böden, dynamische Stabilität
• Schwierugkeiten:
  • Echtzeit
  • hohe Materialbelastung
  • hoher Energieverbrauch
  • geringe Nutzlast
  • hohe Entwicklungskosten
• Einsatzgebiete:
  • unstrukturiertes Gelände, Meeresboden, Erkundung fremder Planeten, Katastropheneinsatz, Arbeitsmaschinen, Serviceroboter, Inspektionsroboter, Beinprothesen, Unterhaltungsindustrie.
• Schwerpunkt der Laufmaschinenforschung der 90er Jahre:
  • Anwendungen (Planetenerkundung, sehr unzugängliches Terrain)
  • Kletterroboter
  • Natur als Vorbild für Laufmaschinen
  • Vierbeiner mit dynamisch stabilen Gang
  • Optimierung der Zweibeiner
• Sinnesorgane:
  • Reize von Aussen:
    • Druck, Zug
    • Verformung der Körperdecke
    • Vibration
    • Luft- und Wasserströmung
    • Schwerkraft
    • Schall, Licht, Linear- und Drehbeschleunigungen
  • Körpereigene Reize:
    • Druck und Spannung von der Körperdecke
    • Dehnung und Länge der Muskeln
    • Gelenkstellungen
    • Bewegungen
• Natur als Vorbild:
  • Übernahmefähig:
    • Anordnung und Aufbau der Beine, Gelenkprinzip, Muskelähnliche Antriebe
    • Bewegungsablauf, Verarbeitungsprinzip von Sinnesorganen
    • Prinzip der Sensorfusion, Konzept der Informationsverarbeitung
  • Nicht übernahmefähig:
    • Materialien, Energieversorgung, Aufbau der Sinnesorgane
    • Genaues Funktionsprinzip der neuronalen Informationsverarbeitung
• Panthograph-Mechanismus:
  • entkoppelte Bewegungen
  • einfache Steuerung von Trajektorien
• Sensorik für Laufmaschinen:
  • Messung der Beinzustände (Zustand der Antriebe, Gelenkwinkelmessung, Abstandsmessung, Taktile Information, Kraftmessung im Fuß, Verspannungsmessung)
  • Zustandsbest8immung des Zentralkörpers (Lage, Beschleunigung und Geschwindigkeit)
  • Sensoren zur Umwelterkennung (Abstandsbilder, einfache optische und akustische Signale)
• Messung der Beinzustände.
  • Aufgabe: Messung von (Biegekräften, Bodenkontakt, Abstand vom Boden, Stellung, Kraftverteilung, Kontakt des Beins mit Objekten aus der Umwelt)
  • Ziel: energetisch günstige Beinbewegung, keine Zerstörung der Mechanik, Kraft im Fuß so, dass Bewegung möglich.
• Definitionen zur Beschreibung des Laufens.
  • Stemmphase: in dieser Phase befindet sich das Bein auf dem Boden, stützt den Körper und schiebt ihn vorwärts. In der Schwingphase hebt das Bein vom Boden ab und schwingt zur Anfangsposition der nächsten Stemmphase.
  • Die Stemmzeit $s_i$ ist die Dauer der Stemmphase von Bein i. Analog Schwingzeit.
  • Beinschlag ist die Entfernung von Anterior Extreme Position bis Posterior Extreme Position.
  • Beinabstand ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten des Beinschlags zweier benachbarter Beine derselben Körperseite.
  • Zykluszeit = Stemmphase + Schwingphase
  • ...
• Steuerungskonzepte:
  • Neuroethologische Steuerungskonzept. Es basiert auf Lernen und Anpassung als Schlüsselkomponenten bei der Bewegungssteuerung.
  • Bei Laufmaschinen. Nachteile: Sehr langsame Lerngeschwindigkeit, Vorteil: wenig Speicherbedarf, hohe Fehlertoleranz, Echtzeitfähigkeit erfüllt.
• Reinforcement Learning:
  • Online-Lernen, inkrementelles Lernen, Sicherheits- und Robustheitsaspekte. Behalten von ``angenehmen'' und ``unangenehmen'' Situationen.
• Lernarchitektur: selbstorganisierende Neuronale Netze.