Die Realisierung zweibeiniger Roboterfortbewegung mit der Leistungsfähigkeit, die der des Menschen nahekommt, stellt noch immer eine große Herausforderung im Forschungsgebiet der humanoiden Robotik dar und erfordert umfassende Fachkenntnisse in verschiedenen Disziplinen, einschließlich der Neurowissenschaften und Biomechanik. Obwohl gegenwärtige Laufroboter unter anderem gehen, stehen, sich drehen, Treppen aufsteigen und eine Last tragen können, ist die Vielseitigkeit, Stabilität und Energieeffizienz des Menschen noch unerreicht. Diese Kriterien sind aber umso wichtiger, je stärker Roboter Einzug in unser alltägliches Leben halten werden -- sowohl am Arbeitsplatz als auch in Krankenhäusern oder normalen häuslichen Umgebungen.

Der heutige Stand der Forschung in zweibeiniger Roboterfortbewegung bringt einige schon länger bestehende Gruppen zum Vorschein, die zwar eine kontinuierlich verbesserte Fortbewegungsperformanz der entwickelten Roboter vorzeigen können, aber sich durch eine einseitige Vorgehensweise auszeichnen. Jede Gruppe hat bisher das Augenmerk auf nur einen für performantes Laufen bedeutenden Teilaspekt gelegt -- auf die Regelung und Stabilisierung der vorgesehenen Bewegung oder das mechanische Design. Das neuronale und mechanische System in Mensch und Tier sind jedoch bei der Fortbewegung stark aneinander gekoppelt und sollten daher nicht getrennt betrachtet werden. Ein vom Menschen inspiriertes Muskelskelettdesign eröffnet hierbei die Möglichkeit, größere Fortschritte bei der Umsetzung dynamischer und energieeffizienter Fortbewegung zu erzielen, stellt aber auch besondere Herausforderungen an die Bewegungsplanung und -regelung.

In der vorliegenden Arbeit wird zunächst aus den Blickwinkeln der relevanten Teildisziplinen die Herausforderung, zweibeinige Fortbewegung zu realisieren, analysiert. Zum einen werden die aus biomechanischer Sicht wesentlichen Eigenschaften des menschlichen Bewegungsapparates näher beleuchtet. Zum anderen werden die bisherigen Forschungsergebnisse und unterschiedlichen Herangehensweisen aus der Biomechanik, um den neuromechanischen Bewegungsapparat zu verstehen, und aus der Robotik, um menschenähnlichere Roboter zu entwickeln, die sich in unserem Umfeld bewegen, detailliert beschrieben. Die aus dieser Untersuchung erzielten Erkenntnisse werden genutzt, um ein neuartiges Design für den zweibeinigen Muskelskelettroboter BioBiped1 zu entwerfen, der in der Lage ist, langfristig dynamische und energieeffiziente Bewegungen auszuführen. Das Design zeichnet sich durch einen hochkomplexen elastischen Aktuierungsapparat aus, der auf wichtigen Eigenschaften des menschlichen Bewegungsapparates basiert. In Experimenten werden zunächst die zentralen Funktionalitäten des motorischen Bewegungsapparates des Roboters für die angestrebten Gangarten untersucht. Es kann gezeigt werden, dass der Roboter in der Lage ist vom Boden passiv abzuprallen, Energie zu speichern und freizusetzen und sich aktiv vom Boden abzustoßen. Dieser Konzeptnachweis für die motorische Bewegungsfunktion von BioBiped1 markiert jedoch nur den Startpunkt für die weiteren Untersuchungen, denn dieses neuartige Designkonzept wirft zahlreiche fundamentale Fragen bezüglich der nötigen Designkomplexität für die geplanten Bewegungen und des entsprechenden Verfahrens zur Bewegungsplanung und -ausführung auf.

Daher wird ein Simulator speziell für die Anforderungen elastisch aktuierter Roboter mit realistischen Bodenkontaktkräften entwickelt. Er basiert auf objektorientiertem Design und einem numerischem Integrationsverfahren mit einheitlichem Modell, um Aufprallkräfte analysieren und Flugphasen simulieren zu können. Die enthaltene Bibliothek umfasst unter anderem sowohl die Modelle der aktuierten und der passiven, mono- und biartikulären elastischen Seilzüge als auch ein elastisches Kontaktmodell mit nichtlinearer Dämpfung, um die während eines Kontaktes auftretenden Kollisions-, Reibungs- und Haftungskräfte berücksichtigen zu können. Mithilfe dieser Bausteine wird das vollständige Dynamikmodell des BioBiped1-Mehrkörpersystems erstellt. Damit ein ausreichend übereinstimmendes Verhalten der simulierten und realen Roboterplattform gewährleistet ist, werden zusätzlich unterschiedliche Messungen und Parameteridentifikationen für Teilmodelle durchgeführt. Das Verhalten des Kontakt- und des vollständigen Robotermodells werden abschließend anhand von Experimenten an der Roboterplattform validiert.

Die intelligente Integration von menschenähnlichen Muskelsehnenfunktionalitäten verspricht von bedeutendem Vorteil für die optimale Koordinierung und Aktuierung der Beingelenke zu sein, stellt jedoch auch eine große Herausforderung für die Bewegungserzeugung und -regelung dar. Daher besteht ein weiterer wichtiger Beitrag der Arbeit in der Entwicklung eines zentralen nichtlinearen modellbasierten Ansatzes, der die zuvor hergeleiteten detaillierten Dynamikmodelle der implementierten Aktuatoren verwendet, um Steuerung und Regelung in einem geeigneten Maße zu kombinieren. Mithilfe dieses Konzepts gelingt es, sowohl computergenerierte eindimensionale Hüpf- als auch menschliche zweidimensionale Joggingbewegungen auszuführen. Das Verfahren wird auch eingesetzt, um das Problem der geeigneten Motorgetriebewahl im Vorfeld der Roboterkonstruktion in den Griff zu bekommen.

Die Arbeit schließt mit einer Anzahl von Simulationsstudien ab, in denen unterschiedliche Auslegungen der Beinaktuierung auf ihre Optimalität bezüglich zuvor sorgfältig ausgewählter Performanzkriterien geprüft werden. Ferner werden frühere paradoxe biomechanische Erkenntnisse zu biartikulären Muskeln beim Rennen wiederentdeckt und erstmals mithilfe detaillierter Simulation der Bewegungsdynamik untersucht. Damit kann durch die Anwendung des Lombard-Paradoxons ein neuartiges reduziertes und energieeffizientes Bewegungsmodell ohne aktiven Kniestrecker entwickelt werden.

Die in dieser Arbeit entwickelten Modelle, Methoden und gewonnenen Erkenntnisse werden bereits zur Entwicklung zukünftiger Prototypen eingesetzt. Insbesondere die optimierte Auslegung und Einstellung der Aktuatorik, einschließlich aller mono- und biartikulärer Seilzüge, basieren auf den abgeleiteten Entwurfsrichtlinien und sind anhand der Simulationsmodelle und des Bewegungserzeugungsverfahrens eingehend geprüft worden. Es wird erwartet, dass diese Entwicklungen den Fortschritt im Forschungsbereich des zweibeinigen Roboterdesigns maßgeblich beschleunigen werden und auf lange Sicht auch zum Vorteil des Menschen in der Rehabilitation eingesetzt werden können, um einerseits die verschiedenen Kontrollprozesse für unsere Laufbewegungen zu verstehen und andererseits die Weiterentwicklung von Prothesen voranzutreiben.