Biomimetische Bewegungssysteme basierend auf undulatorischer Lokomotion und nachgiebigen Strukturen
Final Report Abstract
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.
Publications
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