Biomimetische Bewegungssysteme basierend auf undulatorischer Lokomotion und nachgiebigen Strukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit dem abgeschlossenen Projekt wurde das Ziel verfolgt, basierend auf einer modellgestützten Analyse biologischer Bewegungssysteme technische Systeme für die apedale Lokomotion mit nachgiebigen Strukturen als funktionsbestimmendem Element zu entwickeln. Dabei lag der Schwerpunkt nicht auf dem „Kopieren" der biologischen Lösung, sondern auf dem Erkennen der Funktionsweisen und Algorithmen bei der Lokomotion im Tierreich. Dabei zeigten die modellgestützt-theoretischen und experimentell-praktischen Untersuchungen, dass die Umsetzung des Prinzips der undulatorischen Lokomotion noch zahlreiche Lösungsmöglichkeiten bei der technischen Umsetzung bietet. Eine zentrale Rolle spielt die Ausnutzung von nichtsymmetrischer trockener Reibung für die apedale Lokomotion. Deshalb wurde gerade darauf in den theoretischen Arbeit der Fokus der Untersuchungen gelegt. Die Ergebnisse zeigen, dass man bei allem nichtlinearen Charakter der Systeme, zunächst doch durch den Einsatz analytischer Methoden zu qualitativen Aussagen über das Bewegungsverhalten kommen kann. Die in diesem Kontext entstandenen Arbeiten wurden in referierten Zeitschriften (Archive of Applied Mechanics, Robotics and Autonomous Systems, Journal of Computer and Systems Sciences International) publiziert. Sowohl wegen der Einwirkung von Störgrößen auf die Lokomotionssysteme, als auch wegen der teilweise erheblichen Unkenntnis der System- und Umgebungsparameter lassen sich oft nur strukturelle Annahmen über das Bewegungssystem (inklusive der Umwelt) treffen. Mit der Formulierung adaptiver Steuerungen wurde ein Lösungsweg zu dieser Problematik aufgezeigt, womit eine Erweiterung der Aufgabenstellung im Projekt verbunden war. Bei den prototypischen Lösungen kamen neben den klassischen elektromechanischen Antrieben auch sogenannte smart materials zum Einsatz. Die mobilen Roboter mit Piezoantrieb und aus magneto-elastisehen Polymeren bieten die experimentelle Basis für weitergehende Untersuchungen. Das bionisch inspirierte, pedale und apedale Lokomotionssysteme hochaktuell sind, beweist nicht nur die gleich bleibend hohe Zahl der Veröffentlichungen, sowie die zahlreichen Roboterkonstruktionen als kommerzielle Massenware für den Unterhaltungssektor, sondern auch das Publikumsinteresse außerhalb der Fachleute. In diesem Kontext fand der erweiterte Projektgegenstand große Aufmerksamkeit durch einen Beitrag im DFG-Magazin „forschung", (beigefügter Artikel). Mit den zukünftig zu entwickelnden mobilen Robotern werden Prototypen entworfen, die durch ihre Struktur für zahlreiche Applikationen anwendbar sein sollen. Dabei ergeben sich wichtige Anwendungsfelder vor allem bei einer mikrotechnischen Realisierung, da für derartige Systeme die Oberflächenkräfte gegenüber den Volumenkräften dominieren, was mit den Entwicklungsideen (Nutzung von Reibungseffekten) im Projekt korreliert. Das Ziel der weiteren Technik-Entwicklung ist zum einen der Entwurf von Basismodulen (mit der Option der Verkettung) für Lokomotionssysteme, basierend auf einer steuerbaren, inneren Massenverteilung, die eine periodische Änderung der Normalkräfte und damit der Reibung zwischen System und Kontaktfläche bewirken. Zum anderen sollen neuartige apedale Funktionsprinzipien gefunden und prototypisch umgesetzt werden, die eine Fortbewegung über Konfigurationsänderungen des Systems und die Ausnutzung nichtholonomer Zwangsbedingungen ermöglicht. Dabei werden mit Zielrichtung „autonomes System" solche technischen Lösungen und Steueralgorithmen angestrebt, die trotz großer Anzahl von verkoppelten Einzelelementen mit einer minimalen Zahl von Leitungen für Energie und Information auskommen. Neben der technischen Realisierung von Massenverteilungs- und Konfigurationsänderungen mit klassischen elektromechanisehen Antrieben und Elektromagneten u.a., liegt der Fokus der Entwicklungen in der Zukunft auf dem Einsatz von smart materials, die einen letztlich wirklich autonomen Betrieb der Lokomotionssysteme gestatten. Mögliche Applikationsfelder werden zukünftig in der Robotik und in der Inspektionstechnik gesehen. Dazu ist es erforderlich, eine spezielle Sensorik (Ultraschallsensoren, Bildverarbeitung) an die Lokomotionssysteme hard- und softwareseitig anzukoppeln.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dynamics of a nonlinear oscillator in consideration of non-Symmetric Coulomb dry friction. Fifth EUROMECH Nonlinear Dynamics Conference, Book of Abstracts, Eindhoven, Netherlands, August 7 - 12, 2005, p. 308
Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Pivovarov, M.
- Forced nonlinear oscillator with nonsymmetric dry friction. 8th International Conference "Dynamical Systems. Theory and Applications", Lodz, Poland, 2005
Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Pivovarov, M.; Abaza, K.
- The two mass mobile robot with kinematical link. VII International Scientific-technical Conference "Vibrating machines and technologies"; Kursk, Russia, 2005, pp. 223 - 229
Bolotnik, N.N.; Zeidis, L; Zimmermann, K.; Yatsun, S.F.
- Vibration - Driven Robots. International Advanced Robotics Program, The Workshop "Adaptive and Intelligent Robots: Present and Future", Moscow, Russia, November 24-26, 2005, pp. 26-31
Chernousko, F. L.; Zimmermann, K.; Bolotnik, N.M.; Yatsun, S.F.; Zeidis, I.
- Worm-like locomotion - ways of realization: nonsymmetric friction and application of ferrofluids. AMAM 2005, 3rd International Symposium on Adaptive Mechanisms in Animals and Machines Ilmenau, September 25 - 30, 2005, published on CD
Zimmermann, K.; Zeidis, I.
- A mathematical model of a locomotion system based on nonlinear effects and vibrations. 6-th European Solid Mechanics conference, ESMC 2006, 28 August - 1 September, Budapest, Hungary, 2006
Zimmermann, K., Zeidis, I., Pivovarov, M.
- Adaptive X-tracking for locomotion systems. Robotics and Autonomous Systems, 54 (2006), pp. 529-545
Behn, C.; Zimmermann, K.
- Dynamics of controlled motion of vibration-driven systems. Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol. 45, No. 5, 2006, pp. 831 - 840
Bolotnik, N.N.; Zeidis, I.; Zimmermann, K.; Yatsun, S.F.
- Ein Beitrag zur adaptiven Regelung technischer Systeme nach biologischem Vorbild. Dissertation, TU Ilmenau, 2006
Behn, Garsten
- Ein Beitrag zur Anwendung der Theorie undulatorischer Lokomotion auf mobile Roboter - Evaluierung theoretischer Ergebnisse an Prototypen. Dissertation, TU Ilmenau, 2006
Abaza, Khaldoun
- Mobile vibrating robots. 9th International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines, CLAWAR 2006, 12-14 September, Brussels, Belgium, 2006, pp. 558 - 563.
Bolotnik, N.N.; Zeidis, L; Zimmermann, K.; Yatsun, S.F.
- Ausstellungskatalog "Bionik - Vom Ursaurier zum laufenden Roboter", Museum für Naturkunde Gotha, 2007
- Biologically Inspired Locomotion Systems - Improved Models for Friction and Adaptive Control. Proceedings ECCOMAS Multibody Dynamics 2007, Milano, 25-28 June, 2007, Ed.: C. L. Bottasso, P. Masarati & L. Trainelli, electronical Publication, 20 pages, 2007
Behn, C, Zimmermann, K., Steigenberger, J.
- Dynamics and control of a two degree of freedom vibration driven system. Proceedings 3rd IFAC Workshop "Periodic Control Systems"' PSYCO 2007, 29-31 August, St. Petersburg, Russia, 2007
Bolotnik, N.N.; Pivovarov, M.; Zeidis, I.; Zimmermann, K.
- Forced nonlinear oscillator with non-symmetric dry friction. Archive of Applied Mechanics, 77, 2007, pp. 353 - 362
Zimmermann, K.; Zeidis, L; Pivovarov, M.; Abaza, K.
- Modeling of motion of vibrating robots. Proceedings of 12th World Congress in Mechanism and Machine, 18 - 21 June, Besancon, France, 2007
Jatsun, S.F.; Bolotnik, N.N.; Zimmermann, K.; Zeidis, I.
- Motion of a chain of three mass points on a rough plane under kinematical constraints. 9th International Conference "Dynamical Systems. Theory and Applications", Lodz, Poland, 2007, pp.845 - 852
Zimmermann, K,; Zeidis, I.; Pivovarov, M.
- Motion of vibration-driven mechanical systems along a straight line. 14. International Workshop on Dynamics & Control, 28 May - 2 June, Moscow-Zvenigorod, Russia, 2007, p. 19
Bolotnik, N.N.; Pivovarov, M.; Zeidis, L; Zimmermann, K.; Yatsun S.F.
- Straight chains of interconnected mass points under acting non-symmetric dry friction. Abstracts Book of 6th International Congress on Industrial and Applied Mathematics, 16-20 July, Zurich, Switzerland, 2007
Zimmermann, K.; Zeidis, I.; Pivovarov, M.
- Vibration driven robots for in pipe inspection. Proceedings of International Conference on Mechatronics, Kumanoto, Japan, 8-10 May, 2007
Jatsun, S.F.; Zimmermann, K.; Zeidis, L; Yatsun, S.F.
- Wie die Würmer: „beinlose" Bewegung, forschung Das Magazin der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Vol. 2 (2007), pp.22-24
Zimmermann, K.
- Worm-like locomotion as a problem of nonlinear dynamics. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 45(1), 2007, pp. 179 - 187
Zimmermann, K.; Zeidis, L
- Worm-like Locomotion Systems (WLLS) - theory, control and prototypes. In: Climbing & Walking Robots - Towards New Applications (Editor H. Zhang), I-Tech Education and Publishing. 2007, pp. 429 - 456
Zimmermann, K.; Zeidis, L; Steigenberger, J.; Behn, C.; Bohm, V.; Popp, J.; Kolev, E.; Naletova, V.A.
