Das Bild zeigt den Laufroboter BirdBot mit einem Vogel in der Stuttgarter Wilhelma

Vorbild und Nachahmung: BirdBot in der Stuttgarter Wilhelma (Bild: Alexander Badri-Spröwitz)

Der Roboter, der ein T-Rex sein möchte

Wenn ein Tyrannosaurus Rex vor 66 Millionen Jahren fast die gleiche Beinstruktur hatte wie ein Vogelstrauß von heute, dann nehmen Forschende an, dass sich diese Beinstruktur im Laufe der Evolution bewährt hat. Laufvögel wie der Strauß sind ein mechanisches Wunderwerk. Die teilweise über 100kg schweren Tiere rennen mit bis zu 55km/h durch die Savanne. Diese Höchstleistung ist der Beinstruktur zu verdanken. Anders als Menschen klappen Vögel den Fuß nach hinten zurück, während sie das Bein zum Körper hochziehen.

Wie lässt sich der Aufbau der Vogelbeine auf Laufroboter übertragen? Mehr als fünf Jahre hat sich Alexander Badri-Spröwitz vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme dieser Fragen gewidmet. Zusammen mit seinem Doktorand Alborz Aghamaleki Sarvestani hat er ein Roboterbein konstruiert, das wie sein natürliches Vorbild sehr energieeffizient ist: BirdBot braucht weniger Motoren als andere Maschinen und könnte theoretisch auch sehr groß gebaut werden.

Wie funktioniert das?

In der Schwungphase klappen Vögel die Füße nach hinten weg. Badri-Spröwitz und sein Team führen diese Bewegung auf eine mechanische Kopplung zurück. Badri-Spröwitz. „Wir sehen, dass ein Netzwerk aus Muskeln und Sehnen über mehrere Gelenke hinweg diese Kopplung ermöglicht. Bei unserem Roboter haben wir die gekoppelte Mechanik im Bein und Fuß implementiert und gezeigt, dass ein Roboter damit sehr energieeffizient und robust laufen kann." Die Kopplung der Bein- und Fußgelenke sind offenbar auch der Grund, warum ein riesiges Tier wie ein Vogelstrauß nicht nur sehr schnell rennen, sondern auch mühelos stehen kann.

Die Forschenden konstruierten ihr Roboter-Vogelbein so, dass der Fuß keinen Motor, sondern nur ein mit einem Feder-Seilzug ausgestattetes Gelenk hat. Der Fuß ist also über Seilzüge mechanisch mit den restlichen Beingelenken gekoppelt. Jedes Roboterbein ist mit nur zwei Motoren ausgestattet: Ein Motor am Hüftgelenk sorgt dafür, dass das Gelenk vor und zurück schwingt. Ein weiterer Motor am Kniegelenk kann das Knie beugen und hochziehen. „Die Fuß- und Beingelenke kommen in der Standphase ohne Motoren aus,“ sagt Aghamaleki Sarvestani.

Das Bild zeigt einen kleinen Laufroboter, dessen Beine denen von Vögeln nachgeahmt sind, bei Test auf einem Laufband.
Der BirdBot bei Tests auf dem Laufband. (Bild: Alexander Badri-Spröwitz)

Warum das wichtig ist

Durch die Erkenntnisse der Forschenden bei BirdBot können künftige Laufroboter zum einen Energie sparen, im Vergleich zu vorhergehenden Laufrobotern sei für die Bewegung nur noch ein Viertel der Energie notwendig.

Zum anderen kommen sie nicht mehr so leicht aus dem Tritt. Vorausgehende Forschungen an Vögeln hatten gezeigt, dass diese schneller auf Hindernisse reagieren, als es das Nervensystem zulässt, was darauf hinweist, dass die Mechanik hier einen wesentlichen Beitrag leistet. Tests mit BirdBot belegen nun, dass dessen Bein mechanisch bei einer Bodenunebenheit umschalten kann und das ohne Zeitverzögerung.

Das Youtube-Video des MPI für Intelligente Systeme zeigt, wie die Entwicklung des Laufroboters BirdBot vonstatten ging.

Der Erkundungsroboter, der niemals müde wird

Roboter wie der Robo-Hund Spot von Boston Dynamics werden ja schon länger für Überwachungsaufgaben eingesetzt - neben vielen anderen Applikationen. Einen Roboter, der aber speziell für diese Aufgabe ausgelegt ist, haben fünf Gütersloher Studenten der Fachhochschule Bielefeld entwickelt.

Der Name Eye-Car für den Erkundungsroboter ist Programm: vier Räder zur Fortbewegung, gekoppelt mit einer Kamera. Ein Einsatzzweck, den die Studenten bei der Entwicklung im Kopf hatten, ist die Automation von standardisierten Wartungs- und Überwachungsrundgängen, wie Sven Reifschläger, einer aus dem Fünferteam, erklärt.

Wie funktioniert das?

Der Prototyp des Roboters ist mit einer hochauflösenden Kamera und einem Miniaturcomputer zur Bildverarbeitung ausgestattet und kann Bildmarken auf einer vordefinierten Wegstrecke erkennen und selbstständig anfahren. Durch die speziellen Mecanum-Räder kann der Roboter in alle Richtungen fahren, ohne mit einer mechanischen Lenkung ausgestattet zu sein.

Warum ist das wichtig?

Für kilometerlange Kontrollgänge durch große, abgelegene Fabrikanlagen muss vielleicht schon bald kein Personal mehr abgestellt werden, wenn diese Wartungsrundgänge durch Erkundungsroboter erledigt werden. Die Personen, die diese monotone Aufgabe bislang übernehmen, könnten sich dann auf ihre wesentlichen Aufgaben konzentrieren: die eigentliche Überwachung und Wartung von Anlagen oder die Beurteilung von Störmeldungen. Ein weiteres Einsatzgebiet sehen die Studenten in gefährlichem, schwierigen Gelände: „Beispielsweise in einsturzgefährdeten Gebäuden“

Das Youtube-Video der Fachhochschule Bielefeld zeigt den Erkundungsroboter Eye Car während seiner Entwicklung und bei seinen Kontrollgängen.

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Der Roboter mit der schaltbarer Steifigkeit

Wenn es um die Kooperation von Menschen und Robotern geht, ist das Anwendungsspektrum oft noch durch ein Dilemma begrenzt: Um eine Verletzung von Menschen auszuschließen, werden für Cobots und deren Greifer oft eher weiche Materialien eingesetzt. Damit ist aber oft die Kraft begrenzt, die eingesetzt werden kann, so dass Cobots eher nicht für schwere Aufgaben geeignet sind.

"Wir arbeiten daher an der Entwicklung neuer Strukturen, die eine schaltbare Steifigkeit haben – die also zwischen steif und weich wechseln können", erläutert Linda Weisheit, Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU.

Das Bild zeigt einen Roboterarm mit dreifingriger Hand, die die Hand eines alten Menschen ergreift.
Vision eines Einsatzszenarios für sichere und leistungsstarke Roboterstrukturen auf Basis schaltbarer Steifigkeiten. (Bild: L. Boxberger/Fraunhofer IWU)

Wie funktioniert das?

Vom Prinzip gleicht eine solche schaltbare Steifigkeit einer Kaffeepackung: Vakuumverpackt ist sie hart und fest, dringt dagegen Luft ein, wird sie weich und formbar. Um die Struktursteifigkeit vor allem unter Zugbelastung noch weiter zu erhöhen, kombiniert das Forscherteam sie mit übereinander gelegten Folien. Das Resultat: Durch die Kombination erreicht der Ansatz sowohl gute Zug- als auch Druckbeständigkeit.

Warum ist das wichtig?

Das Bild zeigt einen schlanken Roboterarm aus drei Segmenten mit schaltbarer Struktursteifigkeit und Seilzügen zur Realisierung verschiedenster Bewegungen.
Der Roboterarm des IWU bestehend aus drei Segmenten mit schaltbarer Struktursteifigkeit und Seilzügen zur Realisierung verschiedenster Bewegungen. (Bild: Fraunhofer IWU)

Durch den Einsatz solcher Strukturkomponenten mit schaltbarer Steifigkeit werden sowohl neue Bewegungs- als auch neue Sicherheitskonzepte möglich. Was das im Alltag heißen könnte, lässt sich am besten am Beispiel einer vollen Kaffeetasse verdeutlichen. Soll der Roboter sie tragen, versteift er seinen weichen Arm teilweise und erhält damit die nötige Kraft. Der feste Zustand ist dabei 300mal steifer als der weiche.

Bei einer drohenden Kollision – etwa durch das zu nahe Herantreten eines Menschen – soll der mechanische Helfer allerdings nicht einfach auf den weichen Zustand umschalten, denn dann würde die Kaffeetasse auf den Boden fallen, auf dem vielleicht gerade das Kleinkind herumkrabbelt und verbrüht werden könnte. Stattdessen soll er eine Ausweichbewegung realisieren.

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