Natürlicher Rhythmus für Roboter

Vierbeiner, die sich im Schritt bewegen und langsam schneller werden, fallen irgendwann automatisch in den Trab. Der Grund dafür ist, dass es mehr Energie bräuchte, nicht die Gangart zu wechseln. Dieser Zusammenhang wurde schon vor mehr als vierzig Jahren entdeckt. Nun ist es Alin Albu-Schäffer vom Arbeits­bereich Sensor­basierte Roboter­systeme und intelligente Assistenz­systeme an der Technischen Universität München gelungen, die Methode auf die Bewegung von Robotern zu übertragen.

Experten sprechen von intrinsischer Dynamik, die Menschen und Tiere für ihre energie­effiziente Bewegungen nutzen. Sie passen zum Beispiel die Steifigkeiten ihrer Muskeln an, wenn sie auf einem härteren Untergrund laufen. Diese intrin­sischen Anpassungen passieren automatisch und sind schwer zu identi­fizieren, sowohl im Menschen als auch in komplexen Roboter-Systemen. Doch durch ein neues Tool wird dies möglich. „Uns ist es erstmals gelungen, diese intrin­sischen hoch­effizienten Bewegungen berechenbar zu machen. Mit dem Tool ist es möglich heraus­zufinden, welche Bewegungen eines Systems besonders ökonomisch sind“, sagt Albu-Schäffer.

Ein wichtiges Testobjekt ist BERT, ein vierbeiniger Roboter, der aussieht wie ein kleiner Hund. Albu-Schäffer hat BERT am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR entworfen. Diese Forschung legt ihren Fokus auf „effiziente und vielseitige Fortbewegung mit Beinen“. Die Forschenden identifizierten sechs Bewegungs­muster für BERT, die Albu-Schäffer als besonders mühelos beschreibt und die in einer Welt ohne Reibung keinerlei Energie bräuchten. Sie entsprechen teilweise bekannten Gangarten von Vierbeinern, wie etwa Gehen, Trab oder Hüpfen. „Wir haben damit die Hypothese bestätigt, dass effiziente Gangarten durch Ausnutzung natürlicher Schwingungs­muster realisiert werden können“, sagt er.

Um diese Bewegungen in einem realen System mit Reibung umzusetzen, wurde nun ein computer­gesteuerter Regler hinzugefügt, der im richtigen Moment einen Impuls gibt. „Dies kann man sich ähnlich vorstellen, wie ein Kind, das auf einer Schaukel sitzt und am höchsten Punkt einen Energie­impuls durch seine Eltern bekommt, die es anschubsen“, sagt Annika Schmidt aus dem Forschenden­team. Mit einem Unterschied: „Der Mensch benötigt zum exakten Timing nicht jede Menge Gleichungen im Kopf – er macht das intuitiv“, sagt die Doktorandin, die sich in den letzten Jahren damit beschäftigt hat, den Robotern den richtigen Rhythmus beizubringen.

In einem Wettrennen zwischen drei BERT-Modellen lässt sich der Erfolg zeigen. Der Roboterhund, der die Methode der intrin­sischen Bewegung ein­programmiert bekommen hat, bewegt sich eher hüpfend und viel dynamischer und schneller voran, als seine Geschwister, die auf konven­tionellere Bewegungs­muster setzen.

TUM / JOL