VDI 6222 Blatt 1-2013 Biomimetics - Biomimetic robots.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREBionikBionische RoboterBiomimeticsBiomimetic robotsVDI 6222Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch BionikVDI-Handbuch Produktentwicklung und KonstruktionVDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 2: FertigungsverfahrenVDI/VD

2、E-Handbuch AutomatisierungstechnikVDI-RICHTLINIENZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2013Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use no

3、t permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich.ICS 07.080, 25.040.30, 35.240.01 November 2013The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . .

4、. . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative Verweise . . . . . . . . . . . . . . 33 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Vorteile bionischer Robo

5、ter . . . . . . . . . . 75.1 Merkmale, die sich aus der Mechanik bedingen . . . . . . . . . . . . . 85.2 Merkmale, die sich aus der Regelung und Steuerung bedingen . . . . . 106 Biologische Prinzipien fr bionische Roboter . . . . . . . . . . . . . . . 126.1 Energiespeicherung und -rckgewinnung. . 12

6、6.2 Strukturen und Leichtbau . . . . . . . . . . 136.3 Effizienz und Leistungsgewicht. . . . . . . 136.4 Neurobionische Regelung. . . . . . . . . . 146.5 Neuronale Netze . . . . . . . . . . . . . . 156.6 Sensorfusion . . . . . . . . . . . . . . . . 156.7 Komplexe kinematische Ketten . . . . . . . 15

7、6.8 Schutz/Selbstschutz/Fremdschutz. . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Beispiele technischer Umsetzungen biologischer Prinzipien. . . . . . . . . . . . . 167.1 Energiespeicherung und -rckgewinnung. . 167.2 Strukturen und Leichtbau . . . . . . . . . . 177.3 Effizienz und Leistungsgewicht. . . . . .

8、 . 187.4 Neurobionische Regelung. . . . . . . . . . 19Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative references . . . . . . . . . . . . . 33 Terms and definition

9、s . . . . . . . . . . . . . 34 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Advantages of biomimetic robots. . . . . . . 75.1 Features originating in the mechanics . . . . . . . . . . . . . . 85.2 Features due to the control system . . . . . . . . . . . . . . . 106 Biological principles for

10、 biomimetic robots . . . . . . . . . . . . . . . 126.1 Energy storage and recovery . . . . . . . . 126.2 Structures and lightweight design . . . . . 136.3 Efficiency and the power-to-weight ratio. . 136.4 Neurobiomimetic feedback control. . . . . 146.5 Neural networks . . . . . . . . . . . . . . 156

11、.6 Sensor fusion . . . . . . . . . . . . . . . . 156.7 Complex kinematic chains . . . . . . . . . 156.8 Protection/self-protection/protection of others . . . . . . . . . . . . . 167 Examples of technical implementations of biological principles. . . . . . . . . . . . . 167.1 Energy storage and recov

12、ery . . . . . . . . 167.2 Structures and lightweight design . . . . . 177.3 Efficiency and the power-to-weight ratio. . 187.4 Neurobiomimetic feedback control. . . . . 19Frhere Ausgabe: VDI6222:2011-11Entwurf, deutschFormer edition: VDI 6222:2011-11Draft, in German onlyVDI-Gesellschaft Technologies

13、of Life Sciences (TLS)Fachbereich BionikB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013 2 VDI 6222 Blatt 1 / Part 1Seite7.5 Bewegungskontrolle durch Neuronale Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

14、7.6 Sensorfusion . . . . . . . . . . . . . . . . 217.7 Komplexe Kinematiken. . . . . . . . . . . 217.8 Schutz/Selbstschutz/Fremdschutz . . . . . 237.9 Kriterien fr bionische Roboter . . . . . . 238 Grenzen bionischer Robotik. . . . . . . . . . 239 Mgliche neue Anwendungsfelder . . . . . . 26Schriftt

15、um . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsw

16、eise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt h

17、aben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/6222.EinleitungBionik verbindet Biologie und Technik mit dem Zieldurch Abstraktion, bertragung und Anwendung vonErkenntnissen, die durch interdisziplinre Zusam-menarbeit an biol

18、ogischen Vorbildern gewonnenwerden, technische Fragestellungen zu lsen(VDI 6220 Blatt 1).Robotik ist innerhalb der Ingenieursdisziplinen einbreit aufgestelltes Fach. In einer hnlichen Breite fin-det die Methode Bionik Anwendung bei der Kon-struktion, der Steuerung und dem Betrieb von Robo-tersysteme

19、n. Diese Vorgehensweise reicht von klas-sischen“ Bionikfeldern wie Leichtbau und Str-mungsoptimierung bis zur bionischen bertragungvon Tierverhalten bei der Navigation, Bewegungs-steuerung und Entscheidungsfindung. Die Robotiknutzt die Mechatronik und im Bereich der Bionik dieBiomechatronik als Teil

20、bereich fr den Aufbau vonPage7.5 Motion control using neural networks . . . 207.6 Sensor fusion . . . . . . . . . . . . . . . . 217.7 Complex kinematic. . . . . . . . . . . . . 217.8 Protection/self-protection/protection of others . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237.9 Criteria of biomimetic

21、robots . . . . . . . 238 Limits of biomimetic robotics . . . . . . . . . 239 Potential new fields of application . . . . . . 26Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Preliminary noteThe content of this standard has been developed instrict accordance with the requirements and recom-me

22、ndations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this standard without infringement of copy-right is permitted subje

23、ct to the licensing conditionsspecified in the VDI Notices (www.vdi.de/richtlinien).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standard.A catalogue of all available parts of this series ofstandards can be accessed on the Internet atwww.vdi.de/6222.IntroductionBiomimetics

24、combine biology and technology withthe goal of solving technical problems through theabstraction, transfer, and application of knowledgegained in interdisciplinary cooperation from biologi-cal models (VDI 6220 Part 1).Robotics is a broad area in the field of engineering.The application of biomimetic

25、 methods is similarlywidespread in the design, control, and operation ofrobotic systems. These approaches range from the“classic” fields in biomimetics such as lightweightdesign and flow optimization to the biomimetic trans-fer of animal behavior to navigation, motion control,and decision-making pro

26、blems. Robotics utilizesknowledge from the field of mechatronics and fromthe field of biomechatronics (for biomimetic applica-tions) to design electrical, mechanical, and informa-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V.,

27、 Dsseldorf 2013 VDI 6222 Blatt 1 / Part 1 3 elektrischen, mechanischen und informationstechni-schen Komponenten.Fr die Untersttzung der Entwicklung biologisch in-spirierter (bionischer“) Roboter muss folglich dieVereinigungsmenge einer Vielzahl von Empfehlungen(z.B. VDI 2206, VDI 2727, VDI 2740, VDI

28、 2860),die jeweils bereits hochkomplexe Betrachtungsobjektebetreffen, analysiert werden. Darauf aufbauend sindzwecks Reduktion der Systemkomplexitt stark abs-trahierte Empfehlungen zu formulieren. 1 AnwendungsbereichDie Richtline gibt Naturwissenschaftlern und Ingeni-euren bei der Entwicklung von Ro

29、botern eine Anlei-tung fr eine bionische Herangehensweise als einenzustzlichen Lsungsansatz an die Hand.In der klassischen Robotik wird zwischen mobilenund stationren Robotern unterschieden. In dieserRichtlinie wird diese Unterscheidung nicht vorge-nommen, dienen doch in der Regel Tiere als mobile“L

30、ebewesen als Vorbild. Biologische Manipulatoren(z.B. Hnde und Arme bei Primaten) sind immermultifunktional und dienen sowohl der Fortbewe-gung als auch der Manipulation von Objekten. Diese Richtlinie stellt insbesondere die Strken undeinige Einschrnkungen der bionischen Robotik dar.Humanoide/anthrop

31、omorphe Roboter sind nicht Ge-genstand der Richtlinie, da konsensfhige Definitio-nen fr diesen Teilaspekt der bionischen Robotiknicht festgelegt werden knnen. Die in der Richtliniedargestellten Prinzipien knnen selbstverstndlichauch bei der Entwicklung derartiger Systeme An-wendung finden.2 Normativ

32、e VerweiseDas folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich:VDI 6220 Blatt 1:2012-12 Bionik; Konzeption undStrategie; Abgrenzung zwischen bionischen undkonventionellen Verfahren/Produkten3 BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Be-griffe nach VDI 6220

33、 Blatt 1 sowie die folgenden Be-griffe:BiomechatronikEntwicklung und Optimierung mechatronischer Sys-teme unter Nutzung biologischen und medizinischenWissens.tion processing components.To support the development of biologically inspired(“biomimetic”) robots, it is therefore necessary to an-alyze a n

34、umber of different recommendations (e.g.VDI 2206, VDI 2727, VDI 2740, VDI 2860), each ofwhich already pertains to highly complex objects ofanalysis. Based on these recommendations, highlyabstracted recommendations must be formulated inorder to reduce the complexity of the system.1 ScopeThis standard

35、 provides scientists and engineers aguide to the biomimetic approach as an additionalmethod for solving problems when developing ro-bots.Classic robotics differentiates between mobile andstationary robots. However, this standard does notmake this differentiation because animals, being“mobile” living

36、 organisms, generally serve as mod-els. Biological manipulators (the hands and arms ofprimates, for example) are always multifunctionaland are used for locomotion as well as to manipulateobjects. In particular, this standard presents the strengths ofbiomimetic robotics and some of its limitations.Hu

37、manoid/anthropomorphic robots are not handledin this standard since there is no consensus on the def-initions relating to this area of biomimetic robotics.However, the principles illustrated in the standard canalso be applied to the development of these types ofsystems.2 Normative referencesThe foll

38、owing referenced document is indispensablefor the application of this standard:VDI 6220 Blatt 1:2012-12 Biomimetics; Conceptionand strategy; Differences between bionic and con-ventional methods/products3 Terms and definitionsFor the purposes in this standard, the terms and defi-nitions of VDI 6220 P

39、art 1 and the following termsand definitions apply:BiomechatronicsThe development and optimization of mechatronicsystems using biological and medical knowledge.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCDB7EE8FD9NormCD - Stand 2013-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2013

40、 4 VDI 6222 Blatt 1 / Part 1Bionischer RoboterRoboter, der mindestens ein umgesetztes dominantesbiologisches Prinzip in sich trgt und zumeist nachdem Prozess des bionischen Arbeitens entstanden ist.Anmerkung 1: In Abschnitt 7 sind dominante biologische Prinzi-pien (Hauptfunktionsweisen) beispielhaft

41、 angegeben. Anmerkung 2: Als bionische Roboter im Sinne dieser Richtliniesind daher Bewegungssysteme anzusehen, deren Funktionen und/oder Gestaltmerkmale (Struktur) und/oder stoffliche Umsetzung(Material) zu erheblichen Anteilen auf der technischen Umsetzungbiologischer Prinzipien beruhen.Anmerkung

42、3: Abzugrenzen sind bloe naturidentische oder na-turhnliche Kopien (Biomimikry) bezglich der Bewegung oderder verwendeten Materialien beim Vorbild.Anmerkung 4: Auch fr den Entwicklungsprozess bionischer Ro-boter ist die mechatronische Entwicklungsmethodik nach VDI 2206,erweitert um den Bionischen Al

43、gorithmus“ 2, zu bercksichti-gen.IdiomotionNicht lokomotorische Bewegungen, insbesondereBewegungen, die physiologischen Funktionen desEinzelindividuums (z.B. Reichen und Greifen zurNahrungsaufnahme, Fellpflege) oder der lokalenAusbung von Sozialfunktionen dienen (Fellpflegebei Artgenossen: Grooming)

44、.Anmerkung: Der Krperschwerpunkt verlsst aufgabengerecht,eng parametrierten Raum whrend Bezugszeit nicht. HandhabbaresKriterium: Die grte Lnge dieses Raums ist nicht grer als dasgrte gestreckte Krperma des Individuums. Technisches Bei-spiel: Gestellfest montierter Roboterarm (Handhabungsgert).Indust

45、rieroboterUniversell einsetzbarer Bewegungsautomat mit meh-reren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewe-gungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (das heitohne mechanischen Eingriff) programmierbar undgegebenenfalls sensorgefhrt sind. in Anlehnung anVDI 2860Anmerkung: Industrieroboter sind mit Grei

46、fern, Werkzeugen oderanderen Fertigungsmitteln ausrstbar und knnen Handhabungs-und/oder Fertigungsarbeiten ausfhren.LokomotionNicht idiomotorische Bewegungen zur dauerhaftenLagevernderung des Krperschwerpunkts.Anmerkung: Der Krperschwerpunkt verlsst aufgabengerechtweit parametrierten Raum whrend Bez

47、ugszeit. Handhabbares Kri-terium: Die grte Lnge dieses Raums ist grer als das grte ge-streckte Krperma des Individuums. Technisches Beispiel: Lauf-maschine.RoboterMechatronische Bewegungssysteme, also Integra-tionsprodukte von Sensorik, Informationsverarbei-tung und Aktorik.Biomimetic robotsRobots,

48、that possesses an implementation of at leastone dominant biological principle and is usually devel-oped based on the biomimetic development process.Note 1: Section 7 provides examples of dominant biological prin-ciples (primary methods of operation). Note 2: A biomimetic robot in terms of this stand

49、ard is therefore amotion system in which a significant portion of its functions and/ordesign features (structure) and/or material implementation (materi-als used) are based on the technical implementation of biologicalprinciples.Note 3: It is necessary to differentiate between biomimetic robotsand robots that are merely nature-identical or nature-similar copies(biomimicry) in terms of the motions of or materials used by thebiological model.Note 4: The design methodology for me