Modellbildung eines Bipeds und Trajektorienplanung für dynamisch stabiles Gehen
Am Beginn dieser Arbeit ist das Interesse auf die Herleitung der Bewegungsgleichung für ein Bein mit 6 Drehfreiheitsgraden gerichtet. Das Aufstellen dieser Bewegungsgleichung erfolgt durch eine synthetische Methode der Kinetik, der so genannten Projektionsgleichung. Um Kontakt mit dem Boden mathematisch zu beschreiben, wird die Bewegungsgleichung um Zwangsbedingungen erweitert. Der Entwurf eines Reglers auf Gelenksebene und die anschließende Simulation eines Gangzyklus des Gesamtsystems komplettiert diesen Teil.
Das Hauptaugenmerk der hier vorgestellten Arbeit liegt bei der Untersuchung des Gehens auf zwei Beinen in der Ebene. Zu diesem Zweck wurde das komplexe mechanische System des menschlichen Skeletts, welches über 350 Freiheitsgrade besitzt, durch ein starres Mehrkörpersystem mit 14 Drehfreiheitsgraden nachgebildet. Das Modell dieses MKSs entstand im CAD Programm Pro/ENGINEER und wurde in folge so aufbereitet, dass es im Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack für dynamische Untersuchungen während eines Gangzyklus herangezogen werden kann. Zum Auffinden der Trajektorien der Gelenke während eines solchen Gangzyklus wird der Biped als inverses Pendel (IPM Inverted Pendulum Mode) betrachtet. Die daraus gewonne Information über die Winkelverläufe der einzelnen Gelenke lässt auf die Auflagerreaktionen im Standfuß schließen. Die Reaktionskräfte und -momente entscheiden darüber, ob die gewählte Gangstrategie erfolgreich ist oder nicht.
Die Inbetriebnahme des an der Hüfte befestigten realen Beines für erste Versuche zählt ebenfalls zum Umfang dieser Arbeit. Hierfür wurde ein Steuerprogramm als Statechart konzipiert, das nicht nur das Folgen von vorgegebenen Tajektorien erlaubt, sondern dem Benutzer auch ermöglicht, die in den Antriebseinheiten integrierten Regler einzustellen und die Antriebe zu überwachen.
Ein weiterer Teil der Arbeit wird dem komplexen Mehrkörpersimulationsprogramm Simpack gewidmet. Es soll den Mitarbeitern und Diplomanden des Instituts, welche ein auf das O(n)-Verfahren aufbauendes Simulationsprogramm entwickeln, als Anhaltspunkt für dessen Aufbau dienen. Außerdem soll die Einarbeitungszeit für weitere Projekte dadurch verkürzt werden.