392175 Biomechatronik (V) (SoSe 2011)

Biomechatronik – Eine Definition
Die Mechatronik ist eine integrative (Ingenieurs-) Disziplin und beschäftigt sich mit der räumlichen und funktionalen Zusammenführung von Komponenten aus den Bereichen Mechanik, Elektrotechnik/Elektronik, Regelungstechnik und Informatik. Je nach Perspektive können dabei die genannten Teilgebiete unterschiedlich gewichtet werden. Die Biomechatronik erweitert den Raum der angewandten Werkzeuge (Design, Regelung etc.) um zusätzliche, in der Natur vorgefundene Ansätze. Sie schlägt damit Forschungs-, Inspirations- und Anwendungsbrücken zur Biologie, Biomechanik, Medizin und zu Themen wie beispielsweise der Mensch-Maschine Interaktion. Der Bielefelder Fokus der Biomechatronik liegt momentan auf der Biorobotik.

Lehrinhalte
Sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft und Forschung werden im Bereich der Robotik aktuell hauptsächlich unelastische Gelenkantriebe eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie durch klassische Regelungsansätze im Sinne einer hohen Positioniergenauigkeit gut beherrschbar sind. Im Gegensatz dazu sind biologische Bewegungssysteme, die von Muskeln angetrieben werden, immer elastisch. Die neurobionischen Regelungskonzepte, die in evolutionären Prozessen zusammen mit den Muskeln entstanden sind, müssen daher auf die speziellen, elastischen Muskeleigenschaften abgestimmt sein. Können diese biologischen Ansätze auf technische, elastische Systeme übertragen werden? Die Vorlesung „Biomechatronik“ befasst sich mit der Frage, wie elastische Gelenkaktoren für Roboter aufgebaut und geregelt werden können. Die Elastizität kann hierbei real durch Federelemente oder virtuell durch Regelung erzeugt werden. Die elastische Wirkung geht dabei von linearem bis hin zu dynamisch veränderbarem Verhalten. Ein Spezialfall ist hierbei die muskelähnliche Elastizität und ihre bionische Regelung. Als Primärantriebe werden moderne Elektroantriebe (bürstenlose DC-Motoren, Piezomotoren etc.) betrachtet. In der Vorlesung werden biologische Systemvorbilder vorgestellt und ihre Überführung in die Robotik erklärt.

Kompetenzen
Die Studierenden erhalten eine Einführung in die Biomechatronik/Bionik als Erweiterung des natur- und ingenieurwissenschaftlichen Werkzeugkastens. Für die Robotik relevante biologische Teilsysteme wie Gelenke, Segmente, Sehnen und Muskeln werden erklärt. Die Studierenden erlernen die selbständige Anwendung entsprechender Modelle. Als Grundlage für die technische Umsetzung des elastischen Verhaltens werden Teilgebiete der technischen Mechanik von Kräften und Drehmomenten bis hin zur Elastostatik wiederholt bzw. eingeführt. Aus dem Bereich der Antriebstechnik wird die Funktion verschiedener Elektromotoren (bürstenlose DC-Motoren, Piezomotoren etc.) hergeleitet. Den Teilnehmern wird vermittelt, wie die entsprechenden Mechanikkomponenten zu elastischen Gelenkantrieben kombiniert werden können. Die bionische Regelung vervollständigt das Gesamtbild. Am Ende des Semesters sind, je nach Teilnehmerzahl, ein bis zwei Praktikumstage zur Vertiefung des erlernten Stoffs geplant.