Robotik 02.07.1999, 17:22 Uhr

Autonome Roboter schaffen“s zu Fuß

Ein Stelldichein gaben sich Laufmaschinen auf dem Work-shop des International Advanced Robotics Program (IARP) vorige Woche in Jena. Viele von ihnen verdanken ihre ersten Schritte biologischen Vorbildern.

Beinahe wäre Bisam II umgefallen. Der kleine vierbeinige Laufroboter aus Karlsruhe versuchte, was vor ihm noch kein Vierbeiner aus Metall geschafft hatte: Er sollte traben. Doch was lebenden Artgenossen leicht fällt, bereitete der Biologically Inspired Walking Machine (Bisam) während des IARP-Workshops Mühe. Am Gängelband von Mitarbeitern des Karlsruher Forschungszentrums Informatik wurde aber das Unmögliche versucht: Zwei Beine diagonal gegenüber in der Luft, die anderen zwei diagonalen am Boden. Denn in einem internationalen Programm wollen deutsche Wissenschaftler selbständig laufende Roboter entwickeln, die in schwierigem Gelände unterwegs sein können. Vom 21. bis 23. Juni wurden die Ergebnisse der Forschungen in einem „Laufmaschinen-Zoo“ der Universität Jena gezeigt.
Anders als seine sechsbeinigen Kollegen, die mindestens drei Beine auf dem Boden haben und dadurch sehr stabil, aber auch langsam sind, hält der Roboter Bisam ein dynamisches Gleichgewicht. „Würde man ihn dabei einfrieren, fiele er um“, kommentiert der Jenaer Zoologie-Professor Martin Fischer die Übung. Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes „Autonomes Laufen“ untersucht Fischer die Gelenkbewegungen von Vierbeinern. Mit 150 Röntgenbildern pro Sekunde filmte der Evolutionsbiologe wie Tiere laufen. „Es war beeindruckend: Unabhängig, ob es eine Ratte, ein kleiner Affe oder ein Beuteltier war – die Vierbeiner liefen alle gleich“, sagt Fischer.
Dreiviertel des Vortriebs entstehen im obersten Gelenk der Beine, also im Bereich des Schulterblattes oder der Hüfte. Die Schrittlänge erreichen sie, indem sie die Lendenwirbelsäule und das Becken fast vertikal nach vorn beugen. Zusätzlich haben die Tiere ein Federungssystem: Um Stürze beim Laufen abzufangen, bilden Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß zwei rechte Winkel, weshalb die Vierbeiner Bodenunebenheiten ohne zusätzliche Schritte bewältigen können. Dieses Gangbild versuchen Laufroboter nachzuahmen. Bisher bewegen sich die Zwei-, Vier-, Sechs- und Achtbeiner an einer „Nabelschnur“ fort, einem Kabel, das die kleinen Metallwesen mit Energie und Steuerimpulsen versorgt. Wenn sich die Laufmaschinen aber ohne Stromversorgung von außen bewegen sollen, müssen sie mit ihrem Energievorrat haushalten und ihre Beine möglichst effektiv steuern. “ Wir wollen so wenig zentrale Steuerung wie nötig die Gelenke in den Beinen sollen ihre Information untereinander austauschen“, erklärt Prof. Friedrich Pfeiffer von der TU München. Sein Achtbeiner aus Metall kann in senkrechten Rohren krabbeln ohne herunterzufallen. Die Idee dazu lieferte ihm eine Stabheuschrecke.
Dieses Tier hat der Bielefelder Zoologie-Professor Holk Cruse zwanzig Jahre lang untersucht – erst dann kannte er die drei Steuerungsebenen des Insektes so genau, daß seine Fortbewegungsweise auch auf Roboter übertragen werden konnte. „In der untersten Steuerungsebene hat jedes einzelne Bein Sensoren, die die Position der Gelenke registrieren und messen, welche Kraft und welche Geschwindigkeit auf das Bein wirken“, erläutert Cruse, „Kontaktsensoren nehmen wahr, ob das Bein am Boden ist oder in der Luft steht.“ In der zweiten, der Koordinationsebene, verständigen sich die Beine untereinander, damit nicht plötzlich zu viele Beine in der Luft sind und das Tier oder der Roboter umfällt. Die höchste Ebene bildet die Zentralsteuerung: Sie gibt die Richtung und die Gangart vor und verarbeitet Informationen von den Augen.
Die Bewegungsmuster von Lebewesen nachzuahmen ist das eine; Lebewesen solcherart zu kopieren, halten die Wissenschaftler aber für unmöglich: „Die Ideen soll man sich zwar aus der Biologie holen, muß sie dann aber mit technischen Mitteln umsetzen“, so Pfeiffer.
Fischer geht einen Schritt weiter: „Egal, ob das Bein zu einem Tier oder einer Maschine gehört, es hat gleiche mechanische und physikalische Probleme zu bewältigen.“ Deshalb freuen sich die Forscher nicht nur, wenn ihre Laufmaschinen in Zukunft Rohre reparieren, Minenfelder räumen, den Wald säubern und auf Plantagen arbeiten.
Die roboterbegeisterten japanischen Ingenieure haben noch andere Ideen: Als technisch perfekte Zweibeiner sollen sie dem Menschen dienen. So könnte statt der Krankenschwester ein Wesen aus Metall dem Patienten helfen. Auch der Zimmerservice im Hotel läßt sich nach Ansicht japanischer Forscher durch Roboter gut erledigen. Vor allem könnten jedoch alte Menschen von Servicerobotern profitieren. Als Hausmädchen oder Altenpfleger würde der zweibeinige Laufautomat Kommandos folgen. „Wenn es gelingt, alte Menschen wenigstens vier bis fünf Jahre länger in ihrem eigenen Haus zu lassen, ist das ein großer Gewinn an Lebensqualität und an Kosten“, kommentiert Prof. Rüdiger Dillmann von der Universität Karlsruhe die Werke seiner Kollegen.
Prof. Hirochika Inoue vom Department of Mechano-Informatics der University of Tokyo bedenkt dabei auch die sozialen Aspekte der Maschinen: „Unsere Serviceroboter sollen nicht größer sein als 1,35 m, da sonst die Menschen Angst vor ihnen haben, außerdem müssen sie freundlich wirken.“ Einige der künstlichen Mitmenschen gibt es in Japan bereits als Prototyp. Dort werden die Arbeiten im Rahmen des Humanoid Robotics Project sogar vom Staat unterstützt. In Deutschland interessiert sich die Industrie noch wenig für diese Roboter-Forschung – immerhin waren aber Daimler? Chrysler, Siemens und Jenoptik auf dem Workshop vertreten.
Jenoptik-Chef Lothar Späth kennt solche Begeisterung der Firmen: „In Deutschland kämpfen wir um neue Produkte, Technologien und Systeme, und am Ende fürchten wir uns wegen der Kosten vor guten Ergebnissen.“
SABINE GOLDHAHN/KÄM
Tagungsvideo (VHS, 2,5 h): Fried.-Schiller-Uni. Jena; Inst. für spez. Zoologie und Evolutionsbiologie. Fax (03641)949142. 50 DM.
Der 20 kg schwere Rohrkrabbler „Moritz“ der TU München stützt sich mit seinen acht Beinen auf die Wand des senkrechten 60 cm-Rohres. 16 Gleich-strommotoren treiben die Segmente der Beine an.
Der sechsbeinige Schreitroboter „Katharina“ des Magdeburger Fraunhofer IFF kann mit seinen 18 Freiheitsgraden auf der Stelle wenden. Im Normalfall bewegen sich drei dreigliedrige Beine gleichzeitig bei einem Hindernis sucht das Einzelbein mit Dreikomponenten-Kraftsensor eine sichere Stellung.
Die biologisch inspirierte vierfüßige 20 kg schwere Laufmaschine „Bisam II“ des Karlsruher Forschungszentrums Informatik ist so groß wie ein Schäferhund und läuft mit 21 Freiheitsgraden bis 1 m/s schnell. Forschungsziel ist eine dynamisch und statisch stabile Gangart. Die Traglast beträgt 10 kg.
Die sechgliedrige Laufmaschine „Lauron II“ des FZI, Karsruhe, soll als „Legged Autonomous Robot Neural Controlled“ Lasten transportieren oder zum Minensuchen dienen.

 

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