Faszination Technik Ein Laufroboter mit nur vier Motoren

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Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: der Bird-Bot, der dank Fuß-Bein-Kopplung mittels Federseilzug nur noch Motoren im Hüft- und Kniegelenk benötigt.

Laufvögel wie der Strauß sind mechanische Wunderwerke. Die teilweise über 100 Kilogramm schweren Tiere rennen mit bis zu 55 Kilometern pro Stunde durch die Savanne. Diese Höchstleistung ist der Beinstruktur zu verdanken, so die Vermutung. Anders als Menschen klappen Vögel den Fuß in der Schwungphase nach hinten weg, während sie das Bein zum Körper hochziehen.

Die Forschungsgruppe „Dynamische Lokomotion“ am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme beschäftigt sich seit fünf Jahren mit diesem Phänomen. Forschungsleiter Alexander Badri-Spröwitz und sein Team führen diese Bewegung auf eine mechanische Kopplung zurück, die durch ein Netzwerk aus Muskeln und Sehnen, welches sich über mehrere Gelenke hinweg erstreckt, ermöglicht wird.

Mechanische Kopplung ermöglicht Effizienz

Um ihre Annahme zu überprüfen, bauten die Forschenden zusammen mit Wissenschaftlern der University of California ein Roboterbein, das einem Laufvogel nachempfunden ist. Nach eigenen Angaben konstruierten sie ihr Robotervogelbein so, dass der Fuß keinen Motor, sondern nur ein mit einem Federseilzug ausgestattetes Gelenk hat. Der Fuß ist somit über Seilzüge aus Sehnen und Rollen 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 und das Bein auf diese Art vor und zurück bewegt. Ein weiterer Motor am Kniegelenk kann das Knie beugen und hochziehen.

Mit zwei Motoren pro Bein hat der „BirdBot“ genannte Roboter weniger Antriebe als andere Laufroboter. Er könnte theoretisch riesig groß gebaut werden, heißt es.

Vogelroboter kann ohne Motorhilfe stehen

Die Kopplung der Bein- und Fußgelenke sowie die dabei wirkenden Kräfte könnten auch der Grund sein, warum ein riesiges Tier wie ein Vogelstrauß nicht nur sehr schnell rennen, sondern auch mühelos mit eingeknickten Knien stehen kann, mutmaßten die Forschenden. Ein Mensch von über 100 Kilogramm Gewicht kann zwar auch gut und lange stehen, aber nur bei durchgestreckten Knien. Manche Vögel können sogar im Stehen schlafen. Bei dem Robotervogelbein sollte das nun ebenfalls funktionieren. Ohne Motorenleistung sollte sich die Konstruktion aufrecht halten.

Die Forschenden ließen Bird-Bot auf einem Laufband gehen, um zu sehen, wie der Fuß des Roboters beim Gehen ein- und ausklappt. Dabei bestätigte sich: Die Fuß- und Beingelenke kommen in der Standphase ohne Motoren aus. Die Kraft komme hier aus der Feder und die Koordination aus dem mehrgelenkigen Seilzugmechanismus, so der Forschungsleiter. Beim Bein-Anziehen in der Schwungphase schaltet der Fuß dann die Beinfeder – den Muskel – weg. Der Fuß entkoppelt den Seilzug, und das Bein schwingt lose.

Kein Kraftaufwand beim Stehen und Bein-Anziehen

Bisher mussten die Roboter entweder beim Stehen oder beim Bein-Anziehen gegen die Feder oder mit einem Motor arbeiten, um das Bein in der Schwungphase nicht mit dem Boden zu kollidieren. Dieser Energieeintrag ist bei Bird-Bot jetzt nicht mehr notwendig. Es werden nur noch ein Motor am Hüftgelenk und ein Motor zum Knie-Beugen in der Schwungphase benötigt, den Rest macht das Bein allein. Insgesamt werde so nur ein Viertel der Energie im Vergleich zu vorhergehenden Laufrobotern gebraucht, heißt es.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift „Science Robotics“.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal konstruktionspraxis.

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