Structural and Functional Optimization of Humanoid Robots Upper Body

Kurzfassung

Das exponentielle Wachstum des Humanoiden-Robotikmarktes in den letzten Jahren, das von Goldman Sachs bis 2035 auf 38 Milliarden US-Dollar geschätzt wird [13], hat die Entwicklung von Hard- und Softwarelösungen beschleunigt, insbesondere im industriellen als auch im kommerziellen Umfeld. China nimmt dabei eine führende Rolle im Bereich der KI-gestützten humanoiden Robotik ein. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) bleibt ein bedeutender Akteur in der globalen Robotik-Innovation, insbesondere im Bereich der Humanoiden. Das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik gilt seit Langem als Pionier anthropomorpher Systeme. Es entwickelte grundlegende Technologien wie den DLR Leichtbauroboter III [8] oder die DLR Hand II [7], die von führenden Robotikunternehmen kommerzialisiert wurden. Im Jahr 2006 stellte das DLR mit Agile Justin [6] einen der frühesten Vorläufer der humanoiden Roboterplattform Justin vor. Justin zählt zu den weltweit fortschrittlichsten humanoiden Forschungsplattformen im Bereich Servicerobotik. Für den halbautonomen Betrieb konzipiert, beispielsweise in [14] oder bei astronautischen Assistenzdemonstrationen in Weltraummissionen [9], verfügt Justin über nachgiebige Leichtbauarme, vierfingrige Hände sowie ein hochentwickeltes Sensorsystem zur 3D-Wahrnehmung. Mit 43 steuerbaren Freiheitsgraden ist der Roboter in der Lage, komplexe und dynamische Aufgaben in unstrukturierten Umgebungen auszuführen und gleichzeitig eine sichere Interaktion mit Menschen zu gewährleisten. Mit dem technologischen Fortschritt stoßen die alternden Systeme von Justin jedoch zunehmend an ihre Grenzen, was zur Entwicklung von NeoJustin geführt hat, einer neuen humanoiden Generation mit erweiterten Leistungsparametern. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Neukonstruktion und strukturelle Optimierung des Oberkörpers von Justin, einer kritischen, jedoch häufig vernachlässigten Komponente für die Agilität humanoider Roboter. Die mechatronische Rolle des Torsos bei der Erweiterung des Arbeitsraums, der Steigerung der Steifigkeit sowie beim Lastmanagement der Aktuatoren ist entscheidend für eine effiziente und stabile RobotikLokomotion. Als zentrales Strukturelement eines humanoiden Roboters verbindet ein mechanisch aktiver Torso1 nicht nur den Ober- und Unterkörper, sondern übernimmt auch eine wesentliche Funktion in der dynamischen Haltungsregelung und Bewegungsplanung. Ein optimiertes Torsodesign vergrößert den erreichbaren Arbeitsraum und trägt zur Gesamtagilität bei, wodurch komplexe Aufgaben wie ZweiarmKoordination und Objektmanipulation auf unebenem Terrain möglich werden. Aufbauend auf aktuellen Entwicklungen im Bereich humanoider Oberkörperkonstruktionen und Lokomotion wird in dieser Arbeit ein mechanisches Design vorgestellt, das ein passives Parallelogramm- Übertragungssystem sowie einen neuartigen Mechanismus zur Schwerkraftkompensation integriert. Dadurch werden ein erweiterter Arbeitsraum, höhere Steifigkeit, die Aufhebung von Drehmomentgrenzen durch Leistungsbegrenzungen sowie insgesamt verbesserte Systemeigenschaften erreicht. Zusammenfassend wird die aktuelle Oberkörperimplementierung, als Referenz für die Entwicklung des NeoJustin V2a-Torsos, anhand der theoretischen Grundlagen des Systems und eines physischen Prototyps sowie eines Vergleichs von Arbeitsraum, Steifigkeit und Drehmomentfähigkeit von Rollin’ Justin mit dem vorgeschlagenen Ansatz dargestellt. Die eingesetzten Softwaretools dienen zur Identifikation und Validierung der Hardware-Machbarkeit.