Modellbasierter Entwurf und Optimierung mehrbeiniger Laufroboter

Das mehrbeinige Laufen wirkt bei der Beobachtung von Insekten und Tieren so einfach und selbstverständlich. Gleichzeitig bietet es aber so viele konzeptionelle und robotische Herausforderungen. Dieser Widerspruch zwischen der hohen Komplexität des technischen Laufens gegenüber den natürlichen, einfachen Vorbildern fasziniert Forscher und Denker schon seit Jahrtausenden. Dennoch gibt es bis heute nur wenige Möglichkeiten die Fähigkeiten von einem Laufroboter auf einen anderen zu übertragen oder die Systeme auch nur miteinander zu vergleichen.

Diese Arbeit ermöglicht es die Leistungsfähigkeit mehrbeiniger Laufroboter systematisch und zugleich systemunabhängig zu analysieren und gezielt weiterzuentwickeln.
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In einem ersten Schritt konnte die hierfür notwendige Abstraktion durch ein auf die wesentlichen Lokomotionskenngrößen reduziertes Lokomotionsmodell erreicht werden. Die Konzeption und Entwicklung dieses Modells bietet einen tiefen Einblick in die zentralen Gemeinsamkeiten der mehrbeinigen Lokomotion. Bei der Entwicklung neuer Laufroboter sowie dem anstehenden Transfer dieser Systeme in reale Anwendungen ergeben sich stets wiederkehrende Herausforderungen.
Anhand dieser abgeleiteten Anforderungen konnten die wichtigsten, systemunabhängigen Leistungskenngrößen (Key Performance Indikatoren) für mehrbeinige Laufroboter identifiziert werden: Stabilität, Geschwindigkeit und Energieeffizienz. Auf Basis des abstrahierten Lokomotionsmodells konnten drei neue Laufroboter-Metriken entwickelt werden, die diese zentralen Leistungskriterien vergleichbar machen. Die systemunabhängigen Analyseverfahren basieren auf diesen Metriken und erlauben eine roboterunabhängige Bewertung sowie Identifikation von Best Practices. Die auf diesen Analysen aufbauenden und ihm Rahmen dieser Arbeit entwickelten Optimierungsverfahren sind in der Lage die Leistungsfähigkeit mehrbeiniger Laufrobotern erfolgreich zu steigern. Die experimentelle Evaluation der entwickelten Ansätze und Verfahren mit den sechsbeinigen Laufrobotern LAURON IVc und LAURON V konnte die positiven Effekte auf die Stabilität, Geschwindigkeit sowie Energieeffizienz nachweisen.

Multi-legged walking seems so easy and natural if you observe insects and animals walking in rough and challenging terrain. At the same time, walking is a highly complex task with many technological and scientific challenges. This contradiction is the origin for the long lasting fascination for multi-legged walking machines. Scientist and engineers have dedicated their work to reveal the secrets of legged locomotion for thousands of years. Nevertheless, until today there are only few possibilities to transfer the skills of one walking robot to the other. Even worse, it is not possible to compare different kinds of walking robots in an objective and fair way. ... mehr

This work is dedicated to provide concepts and tools to systematically analyse walking robots in a robot independent way and enable researchers to optimize walking robots effectively.

First, an abstraction is needed to make different kinds of walking robots comparable. This abstraction reduces any kind of walking robot to a small set of locomotion parameters. The core concept of this approach and the corresponding locomotion model give interesting insights in the underlying similarities in legged locomotion. The development and application of legged walking robots in real world environments create a set of recurring challenges. Based on these requirements this work identified three independent locomotion performance indicators: stability, velocity and energy-efficiency. Consequently, combining the abstract locomotion model and the performance indicators new robot independent performance metrics have been developed. Independent analysis tools make use of these performance metrics. Therefore, these tools are able to compare very different robots and help identify relevant best practices. The derived optimization concepts and tools are able to improve the locomotion performance of multi-legged walking robots. The experimental evaluations with the six-legged walking robots LAURON IVc and LAURON V reveal the positive effects on the stability, velocity and energy-efficiency.