Rechnergestützte Animation, Konstruktion und Dimensionierung eines Roboter-Dinosauriers
Ein Bericht von Dr. Ing. Roland Jakel
Das Institut für Maschinenwesen entwickelt in einem ungewöhnlichen CRAFT-Forschungsprojekt die Mechanik eines lebensgroßen Roboter-Dinosauriers.
Im Gegensatz zu auf dem Markt vorhandenen sehr primitiven Systemen soll sich dieser neuartige Roboter durch besonders hohe Mobilität, realitätsnahe Bewegungen und sensorgesteuertes, interaktives Verhalten auszeichnen. Die Entwicklungsarbeit geschieht eingebunden in das europäische PALAIOMATION-Konsortium (Palaeontology Science and Robotics for Extinct Species Replica Animation).
Wahl der Dinosaurierspezies
Eines der Hauptprobleme bei der Entwicklung von Laufmaschinen ist das Erreichen statischer und vor allem der dynamischen Stabilität. Dies bedeutet insbesondere beim Animieren zweibeiniger Roboter erhebliche Schwierigkeiten, einen realistischen, der Natur ähnlichen Bewegungsablauf zu erzielen.
In Zusammenarbeit mit namhaften Paläontologen wurde daher nach einem geeigneten Dinosaurier gesucht, der sich zumindest nicht ausschließlich zwei-, sondern auch vierbeinig fortbewegt hat und über den genügend Skelettinformationen vorliegen, die eine besonders realistische Nachbildung ermöglichen.
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Die Wahl fiel auf den Iguanodon, einen pflanzenfressenden Dinosaurier, der vor etwa 120 Millionen Jahren in Europa gelebt hat. Charakteristisch an diesem Tier sind die spitzen, verhornten Daumen, denen dieser Saurier seinen Namen verdankt. Vom Iguanodon wird angenommen, dass er sich sowohl zwei- wie auch vierbeinig fortbewegt hat.
Um die mit der Steuerung verbundenen Schwierigkeiten eines solch komplexen und technisch hochanspruchsvollen Roboters nicht zu groß zu machen, soll nur ein vierbeiniger Gang sowie das Aufrichten auf die Hinterbeine nachgebildet werden.
Der dargestellte Iguanodon Atherfieldensis dient als Vorlage für den Prototyp. Seine Gesamtlänge beträgt ca. 6 m, die Höhe 1,4 m. Die Lebendmasse wird auf etwa 1,6 t geschätzt.
Computeranimation als Feasibility-Studie
Nach Festlegung der Saurierspezies musste man klären, welche elementaren Bewegungen bei einem vierbeinigen Gang ausgeführt werden und vor allem, welche Motormomente und Motorleistungen dazu notwendig sind. Mit diesen Informationen kann man dann die erforderliche Antriebstechnik festlegen. Zu diesem Zweck wurde das Gehen im Computer mit Hilfe eines Kinematikprogrammes unter Annahme einfachster Randbedingungen simuliert.
Mechanisches Ersatzsystem
Für die Berechnung werden eine Reihe an Annahmen getroffen, die den in der Natur viel komplizierteren Bewegungsablauf dem Computer zugänglich machen:
alle wesentlichen Körperteile werden als massebehaftete geometrische Grundkörper nachgebildet (Zylinder und Platten)
Wirbelsäule, Hals, Kopf und Schwanz sind fixiert
Arme und Beine haben nur einen rotatorischen Freiheitsgrad pro Gelenk senkrecht zur Bewegungsebene
in Armen und Beinen sind Stoßdämpfer untergebracht
der Saurier kann sich in Gehrichtung in einem Planargelenk (zwei translatorische, ein rotatorischer Freiheitsgrad) bewegen; er läuft sozusagen als Schutz gegen Umfallen zwischen zwei Glasplatten
Unter Berücksichtigung dieser Annahmen wurde das mechanische Ersatzmodell für die Computersimulation entwickelt.
Beschreibung des Gehens
Für die Simulation des vierbeinigen Gehens werden nur 10 Antriebe modelliert. Alle Antriebe arbeiten mit Cosinusfunktionen nach der Beziehung
Position = Amplitude * cos( 2πx / Periode + Phase ) + Offset
Diese Bewegungsfunktionen simulieren ein sehr langsames Traben, d.h., linkes Vorderbein und rechtes Hinterbein werden jeweils gleichzeitig angehoben und vorwärtsbewegt. Ein statisch stabiler Gang, bei dem mindestens drei Beine gleichzeitig auf dem Boden sein müssen, kann nicht mit solch elementaren Bewegungsfunktionen beschrieben werden.
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Damit erlaubt dieses Modell allerdings nicht die Berechnung der Motorenleistungen, die für das Abstrecken bzw. Heranziehen der Beine vom Körper weg bzw. zum Körper hin erforderlich sind.
Da man bei vielen Säugetieren beobachtet, dass Oberschenkel und Mittelfuß immer nahezu parallel gehalten werden, kann ein zusätzlicher Antriebsmotor für den Mittelfuß durch Anbringen eines Parallelgestänges eingespart werden. Die Zehen der Hinterbeine werden nicht aktiv animiert, da dies mittels einfacher Cosinusfunktionen nicht mehr möglich ist. Sie sind lediglich über ein Feder/Dämpfer-System am Fußballen befestigt.
Diese Nachbildung des Gehens ist natürlich eine erhebliche Vereinfachung. In der Natur entsprechen die Bewegungen bei weitem keiner reinen Cosinusfunktion. Für eine ingenieurmäßige Abschätzung der zu erwartenden Drehmomente und Leistungen in den Hauptantrieben ist diese Näherung jedoch recht brauchbar.
Zusammenfassend kann man sich das Simulationsmodell vorstellen als ein z.B. von einer aufgezogenen Feder angetriebenes Spielzeugtier, das seine Beine ausschließlich als Funktion der Zeit bewegt und dadurch eine Vorwärtsbewegung auf einem gedämpften Trampolin ermöglicht. Es ist also nur eine Steuerung und keine Regelung des Systems modelliert.
Ergebnisse der Bewegungssimulation
Die Modellierung mittels der in den beiden vorangehenden Abschnitten vorgestellten Annahmen und Randbedingungen ergibt in der Computersimulation einen Gang, der dem von einem Tier dieser Größe zu erwartenden schon recht ähnlich ist.
Damit erlaubt dieses Modell allerdings nicht die Berechnung der Motorenleistungen, die für das Abstrecken bzw. Heranziehen der Beine vom Körper weg bzw. zum Körper hin erforderlich sind.
Da man bei vielen Säugetieren beobachtet, dass Oberschenkel und Mittelfuß immer nahezu parallel gehalten werden, kann ein zusätzlicher Antriebsmotor für den Mittelfuß durch Anbringen eines Parallelgestänges eingespart werden. Die Zehen der Hinterbeine werden nicht aktiv animiert, da dies mittels einfacher Cosinusfunktionen nicht mehr möglich ist. Sie sind lediglich über ein Feder/Dämpfer-System am Fußballen befestigt.
Diese Nachbildung des Gehens ist natürlich eine erhebliche Vereinfachung. In der Natur entsprechen die Bewegungen bei weitem keiner reinen Cosinusfunktion. Für eine ingenieurmäßige Abschätzung der zu erwartenden Drehmomente und Leistungen in den Hauptantrieben ist diese Näherung jedoch recht brauchbar.
Zusammenfassend kann man sich das Simulationsmodell vorstellen als ein z.B. von einer aufgezogenen Feder angetriebenes Spielzeugtier, das seine Beine ausschließlich als Funktion der Zeit bewegt und dadurch eine Vorwärtsbewegung auf einem gedämpften Trampolin ermöglicht. Es ist also nur eine Steuerung und keine Regelung des Systems modelliert.
Ergebnisse der Bewegungssimulation
Die Modellierung mittels der in den beiden vorangehenden Abschnitten vorgestellten Annahmen und Randbedingungen ergibt in der Computersimulation einen Gang, der dem von einem Tier dieser Größe zu erwartenden schon recht ähnlich ist.
Die Schrittweite liegt bei etwa 635 mm, die Gehgeschwindigkeit bei 0,7 m/s (der Paläontologe R. McNeill Alexander hat berechnet, dass Iguanodon Atherfieldensis rund 1 m/s schnell gegangen sein muss). Die Hüfthöhe beträgt etwa 1400 mm bei einer vertikalen Pendelbewegung von ca. 60 mm.
Die Berechnung der Drehmomente im Hinterbein ergibt Werte, die Anhaltspunkte für die Motorenauslegung sowie für die Dimensionierung der Roboterteile geben. Die Berechnung des effektiven Drehmomentes ergab beispielsweise für die Hüfte den höchsten Wert aller Antriebe. Es beträgt etwa 1000 Nm, die maximale Drehzahl rund 7,5 U/min.
Die Schrittweite liegt bei etwa 635 mm, die Gehgeschwindigkeit bei 0,7 m/s (der Paläontologe R. McNeill Alexander hat berechnet, dass Iguanodon Atherfieldensis rund 1 m/s schnell gegangen sein muss). Die Hüfthöhe beträgt etwa 1400 mm bei einer vertikalen Pendelbewegung von ca. 60 mm.
Die Berechnung der Drehmomente im Hinterbein ergibt Werte, die Anhaltspunkte für die Motorenauslegung sowie für die Dimensionierung der Roboterteile geben. Die Berechnung des effektiven Drehmomentes ergab beispielsweise für die Hüfte den höchsten Wert aller Antriebe. Es beträgt etwa 1000 Nm, die maximale Drehzahl rund 7,5 U/min.
Die Schrittweite liegt bei etwa 635 mm, die Gehgeschwindigkeit bei 0,7 m/s (der Paläontologe R. McNeill Alexander hat berechnet, dass Iguanodon Atherfieldensis rund 1 m/s schnell gegangen sein muss). Die Hüfthöhe beträgt etwa 1400 mm bei einer vertikalen Pendelbewegung von ca. 60 mm.
Die Berechnung der Drehmomente im Hinterbein ergibt Werte, die Anhaltspunkte für die Motorenauslegung sowie für die Dimensionierung der Roboterteile geben. Die Berechnung des effektiven Drehmomentes ergab beispielsweise für die Hüfte den höchsten Wert aller Antriebe. Es beträgt etwa 1000 Nm, die maximale Drehzahl rund 7,5 U/min.
Entwurf
Die bei der Simulation gewonnen Größen fließen unmittelbar in die konstruktive Gestaltung des Skelettes ein. Dabei muss unbedingt berücksichtigt werden, dass man in der Technik nicht über derart geniale Werkstoffe, Gelenke oder Regelkreise verfügt, wie sie die Natur hervorgebracht hat.
Im Rahmen einer ingenieurtechnischen Realisierung müssen erhebliche Vereinfachungen und Veränderungen vorgenommen werden. So ist z.B. die Anzahl an Freiheitsgraden der Gelenke stark zu beschränken, um die Regelbarkeit des Gesamtsystems noch zu gewährleisten. Dies bedeutet u.a. den Verzicht auf Flexibilität in der Wirbelsäule oder auf den dritten rotatorischen Freiheitsgrad im Hüftgelenk.
Festlegung der Anzahl an Freiheitsgraden
Um die Position eines Körpers im Raum eindeutig zu beschreiben, sind genau 6 Freiheitsgrade notwendig: drei translatorische und drei rotatorische.
Möchte man beispielsweise seinen Fuß beliebig im Raum positionieren, so kann man sich dazu des Hüftgelenks (3 Freiheitsgrade), des Kniegelenks (1 Freiheitsgrad) und des Sprunggelenks (mit Verdrehung von Schien- und Wadenbein 3 Freiheitsgrade) bedienen. Die Natur stellt also hier schon (mindestens) einen Freiheitsgrad mehr als theoretisch notwendig zur Verfügung.
Bei den vier Beinen des Sauriers würde dies die regelungstechnische Beherrschung von 4 * 7 = 28 Freiheitsgraden allein nur für die Funktion des Füße Positionierens bedeuten, dazu kämen noch die Freiheitsgrade für Schwanz- und Kopfbewegungen.
Bereits zu Beginn wurde erwähnt, dass das Pflichtenheft nur vierbeiniges, statisch stabiles Gehen vorschreibt, d.h., es befinden sich immer mindestens drei Beine auf dem Boden und der Schwerpunkt des Sauriers liegt immer innerhalb des durch diese drei Beine gebildeten Stabilitätsdreiecks. Um nun die Anzahl an Freiheitsgraden zu reduzieren und dennoch eine ausreichende Mobilität sicherzustellen, kann man die Endpunkte der Arme bzw. Beine als Punkte im Raum betrachten, die keine flächige Ausdehnung haben (konstruktiv bedeutet dies z.B. einen abgerundeten Gummipuffer als Aufstandspunkt und keine oder allenfalls eine elastisch nachgiebige Trittfläche!). Damit reduziert sich die Anzahl an zur Positionierung notwendigen Freiheitsgraden auf drei pro Bein. Es müssen im Vorderbein also nur zwei rotatorische Freiheitsgrade in der Schulter und eines im Ellbogen aktiv animiert werden, um mit der Fingerspitze einen beliebigen Punkt im Raum erreichen zu können.
Für die Positionierung des Fußballens am Hinterbein gilt bzgl. Hüfte und Kniegelenk selbiges. Um jedoch auch ein Stehen auf den Hinterbeinen zu ermöglichen, müssen die Zehen durch einen weiteren Antrieb bewegt und arretiert werden können. Insgesamt sind also nur 4 * 3 = 12 Freiheitsgrade für das vierbeinige, statisch stabile Gehen des Sauriers notwendig und zwei weitere für das Aufrichten auf die Hinterbeine.
Im Roboter sollen noch folgende weitere Funktionen animiert werden:
Auf- und Abwärtsbewegung des Schwanzes
seitliches Schwenken des Schwanzes
Auf- und Abwärtsbewegung des Halses
seitliches Schwenken des Halses
Drehen des Kopfes
Kauen
Damit müssen insgesamt "nur" 20 Freiheitsgrade geregelt werden, also eine erhebliche Vereinfachung gegenüber dem natürlichen Vorbild.
Konstruktive Ausführung
Ein als Handskizze vorgestellter erster Entwurf zeigt auch die Anordnung der Antriebsmotoren.
Man hat sich für hochdynamische Servomotoren entschieden, die ohne Getriebe direkt eine Kugelrollspindel antreiben. Diese Motoren zeichnen sich durch extrem niedriges Gewicht und hohe Leistungsdichte aus. Außerdem ist die räumliche Integration dieser Antriebe erheblich einfacher, da sie ähnlich wie ein biologischer Muskel eingebaut werden können.
Fast alle Körperteile des Sauriers werden als Rohrstrukturen aus Aluminiumlegierungen gefertigt. Beim derzeitigen Entwicklungsstand scheint eine Gesamtrobotermasse von ca. 250 kg durchaus realistisch zu sein.
Im Vorderbein kommt eine gekreuzt geführte Pendelstütze zum Einsatz. Damit kann ein Antriebsmotor zur Handanimation eingespart werden. Im Hinterbein sorgt ein Parallelgestänge für die synchrone Bewegung von Oberschenkel und Mittelfuß. Hals und Schwanz werden über ein räumliches Getriebe bewegt. Durch Anpassung der Hebellängen kann erreicht werden, dass sich der Schwanz zur Spitze hin immer stärker krümmt.
Dieser relativ aufwendige Mechanismus zeichnet sich durch recht elegantes Design aus, eine geforderte Eigenschaft, da zur Demonstration des erforderlichen technischen Aufwandes ein Roboter ohne Haut zum Einsatz kommen soll.