Laufroboter an der TU München

Die Technische Universität München, die Friedrich-Schiller-Universität Jena, die Universität zu Köln und die Universität Bielefeld forschen zur Zeit unter anderem an humanoiden Robotern, die sich dynamisch bipedal fortbewegen können.

Momentan sind hier als Laufroboter der TU München der fertig gestellte und bereits ausrangierte Johnnie und die im Bau befindliche Lola nennenswert. Die Friedrich-Schiller-Universität Jena besitzt hingegen beispielsweise den Jana-Walker, der unter anderem auch für die Planung Lolas eingesetzt wurde.

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1 Übersicht über Johnnie und Lola

Roboter	Johnnie	Lola
Größe	180 cm	180 cm
Masse	49 kg	55 kg
DOFs	17	25
Projektbeginn	1998	2004
Fertigstellung	2003	noch in Bau
Homepage	Johnnie	Lola
Homepage	beide

2 Johnnie

Der 1,80 m große Johnnie wurde erstmals auf der Hannover Messe 2003 vorgeführt, nach 5 Jahren Entwicklungszeit. Damals absolvierte er erfolgreich sichtgesteuert einen Hindernisparcours, er überwand Hindernisse, lief eine Kurve, bewältigte Treppen und ging auf einem Laufband. Die 49 kg schwere Maschine ist in der Lage sich mit einer Maximalgeschwindigkeit von 2,4 km/h vorzubewegen und weist eine Schrittgröße von bis zu 55 cm auf.

Er wurde im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1039 "Autonomes Laufen" am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik gebaut und ist mittlerweile ausrangiert, seine Nachfolgerin trägt den Namen Lola und befindet sich momentan noch im Bau.

Freiheitsgrade (DOFs)

Er besitzt insgesamt 17 Freiheitsgrade, die 6 Freiheitsgrade pro Bein setzen sich aus 3 in der Hüfte, 1 im Knie und 2 für das Sprunggelenk zusammen. 4 weitere befinden sich in den Schultern Johnnies, 2 pro Schulter, die er braucht, um die Laufbewegung mittels seiner Arme auszugleichen.

Systembeschreibung

Als Motoren wurden Gleichstrommotoren verwendet, außer in den Sprunggelenken, hier wurde ein Parallelmechanismus mit Kugelgewindetrieben eingesetzt. Da Johnnie ziemlich groß ist, wurde die tragende Struktur überwiegend aus hochfestem Aluminium gebaut, damit die Masse des Roboters nicht zu hoch ausfällt. Johnnie läuft außerdem autonom, er bekommt durch ein Stromkabel die nötige Energie.

Sensorik

Wie schon oben erwähnt ist Johnnie in der Lage, Hindernisse mittels seiner 2 Kameras wahrzunehmen. Er verfügt außerdem über Inkrementalgeber, die die Gelenkpositionen und -geschwindigkeiten erfassen. Mittels 2 sechsachsigen Kraft-Sensoren, je 1 pro Fuß, wird ermittelt, wann Johnnie den Boden beim Gehen berührt. Um die räumliche Drehlage des Oberkörpers zu messen, ist in Johnnie ein Orientierungssensor, bestehend aus Beschleunigungs- und Kreiselsensoren, montiert.

Steuerung

Johnnie besitzt bestimmte einprogrammierte Bewegungsabläufe, zum Beispiel Laufen, Gehen und Treppensteigen, welche er je nach Gegebenheit einsetzt. Damit er auch auf unebenem Gelände zurechtkommt, wurde eine weitere "Rechenebene" geschaffen. Diese erfasst die Umgebung und passt die Bewegungsabläufe an, so dass, wenn der Boden, auf dem Johnnie sich fortbewegt, uneben beschaffen ist, er beispielsweise die Fußhaltung anpasst, so dass trotzdem noch ein sicherer Bodenkontakt und eine stabile Haltung gewährleistet sind.

Pro Sekunde erfasst Johnnie etwa 1.000 Mal seine Umgebung und wertet die gewonnenen Daten aus.

Für einen Großteil der Rechenleistung besitzt Johnnie einen Onboard-PC, welcher mit dem Echtzeitbetriebssystem QNX Neutrino läuft.

3 Lola

Lola ist Johnnies Nachfolger, sie befindet sich momentan im Bau,^[1] die Einwicklung begann 2004. Sie soll nun dynamischer und schneller gehen können, dies soll unter anderem durch den Einbau von Zehen für ihre Füße erfolgen, was bisher bei so großen humanoiden Robotern selten ist.

Sie wird im Rahmen des DFG Paketantrags "Natur und Technik intelligenten Laufens" gebaut.

Abmessungen

Lola ist wie ihr Vorgänger 1,80 Meter groß und wiegt mit 55 Kilogramm ein bisschen mehr als ihr Roboterkollege Johnnie. Sie wird sich auch schneller bewegen als dieser, angestrebt sind bis zu 5 km/h.

Freiheitsgrade (DOFs)

Jeder Fuß Lolas besitzt 3 Freiheitsgrade, welche sich auf ein Zehengelenk, das "Oberes Sprunggelenk" - zum Anheben und Senken des Fußes - und das "Unteres Sprunggelenk" - zum leichten Drehen des Fußes um die Längsachse - aufteilen.
Jedes Bein verfügt des außerdem auch noch 1 Freiheitsgrad im Knie und 3 in der jeweiligen Hüfte.
Das Becken im Unterkörper des Roboters besitzt 2 Freiheitsgrade, im Hals sind ebenfalls 2 verbaut.
Die Arme verfügen über je 3 Freiheitsgrade, 2 pro Schulter und je 1 im Ellenbogen.
Für den noch nicht fertig gestellten Kopf sind 3 Freiheitsgrade in Planung, was dann voraussichtlich insgesamt 25 Freiheitsgrade wären.

Systembeschreibung

Eine Besonderheit stellen Lolas Zehen dar. Sie sollen ihr es ermöglichen mit geplanten 5 km/h eine der schnellsten humanoiden Roboter zu sein. Die Idee mit den Zehen hatte ihren Ursprung in dem Jena-Walker, einem kleinen Humanoiden-Roboter-Unterkörper der Friedrich-Schiller-Universität Jena, welcher sogar nur auf Zehenspitzen rennen kann.

Steuerung

Nach dem Vorbild der Stabheuschrecken besitzt Lola eine dezentrale Steuerung, vefügt also über ein "intelligentes" Sensor-Aktor-Netzwerk, dass heißt, einige Daten spezieller Sensoren werden möglichst direkt an Aktoren weitergegeben, so dass die zentrale Recheneinheit entlastet wird.

Wie auch Johnnie läuft Lola weitgehend autonom, lediglich die Bildverarbeitung läuft aufgrund der großen Anzahl an zu verarbeitenden Daten auf einem externem PC-Cluster ab, sie besitzt jedoch ebenfalls einen Onboard-PC, welcher ebenfalls mit dem Echtzeitbetriebssystem QNX Neutrino läuft.