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Version vom 09:09, 7. Feb. 2017

Zugkräfte statt Drehung

In der Robotertechnik ist die Bewegung von Manipulatoren eine der wesentlichen Aufgabenstellungen. Ein Werkzeug muss sicher im Raum bewegt werden. Dies geschieht üblicherweise durch Motore, die komplexe Gelenksysteme bewegen. Dabei werden die Bewegungsabläufe häufig in Einzelbewegungen zerlegt, wodurch eine unnatürlich abgehackte Bewegung entsteht. Anhand von komplexen Koordinatenberechnungen, werden die Motoren angesteuert. In natürlichen Systemen von Lebewesen erfolgt in der Regel keine Zerlegung der Bewegung. Der Bewegungsaparat bildet ein komplexes System aus Gelenken, festen Stützen (Skelett) und Zugelementen (Muskeln). Durch die mechanische Kopplung ergibt sich der Bewegungsablauf durch das System selbst, wobei die Zugelemente die erforderlichen Kräfte und Verschiebungen in das System einbringen.

Angeregt durch das Buch Gestalt und Anatomie habe ich das Modell eines menschlichen Beines aus Holzstäben, Scharnieren und Seilen nachgebildet . Bereits bei diesem einfachen Modell lassen sich nur durch 2 lineare Zugbewegungen an den Seilenden komplexe Bewegungsabläufe erzeugen. Dabei sind für den Bewegungsablauf folgende Parameter wichtig:

1. Kraft auf die beiden Zugseile
2. lineare Stellung der Zugseile
3. Position der Gelenke

In einem natürlichen System würden Gelenkstellung und die Position der Zugelemente über neuronale Strukturen verarbeitet und zur Ansteuerung der Zugelemente zurück geführt.

Technisch interessant ist bei dem "natürlichen" Konzept die saubere Trennung zwischen Zug- und Druckkräften. Der "Antrieb" erfolgt ausschließlich durch Variation der Zugkräfte. Das System selbst kann durch Auswahl der Werkstoffe und Dimensionierung der verschiedenen Elemente sehr genau an die auftretenden Belastungen angepasst werden.

Ein besonders faszinierende Form organischer Bewegung hat Theo Jansen in seinen "Strandbeester" umgesetzt.

Eine Übersicht zu Bewegungskonzepten von Robotern findet sich unter: http://www.stefan-enderle.de/WS0607/Slides2-Fortbewegung.pdf

Anwendungen

Die TU Saarbrücken hat das Konzept in einer Roboterhand umgesetzt (2010, siehe google-Bilder zu Schnurantrieb+Roboterhand). Dabei werden die Zugkräfte durch Verdrillen von feinen Schnüren erzeugt.

Ein Beispiel zur Anwendung eines Gehapparates mit Hilfe von Zugelementen ist der Spring+Flamingo+MIT Google^TM, google-Bilder zu Spring+Flamigo

Ein Bewegungskonzept auf der Basis eines einfachen neuronalen Netzes ist der am Bernstein Center Göttingen entwickelte RunBot Google^TM: http://www.bccn-goettingen.de/Research/04_Projects/project.2006-08-17.0955555020, google-Bilder zu RunBot

Anwendung des bionischen Konzepts auf die Bewegung eines Armes: http://www.konstruktionspraxis.vogel.de/themen/automatisierung/handhabungstechnik/articles/257347

Strandbeester

Der Künstler Theo Jansen hat für seine Strandbeester eine besondere Kinematik entwickelt, die einfach modifiziert werden kann. Die Funktionsweise lässt sich mit der JavaScript Bibliothek JSXGraph visualisieren:

https://m.youtube.com/watch?v=kKSDgIhc8GI Gleiches Prinzip - unterschiedliche Geometrie : Vielfalt der Bewegung Jansen Theo

siehe auch Bionik