Bewegung aus Würfeln

Antriebselemente - Die eingeschränkte Beweglichkeit begrenzt die Einsatzmöglichkeiten radgetriebener Rettungs- und Serviceroboter. Würfelförmige Antriebselemente ermöglichen den Aufbau hochbeweglicher Strukturen mit der gleichen Beweglichkeit wie sein menschliches Vorbild.

10. September 2007

Manche Notlage bringt menschliche Rettungskräfte an die Grenzen ihrer Möglichkeiten. Beispiele dafür sind etwa schwere Brände oder der Einsatz in radioaktiv oder chemisch verseuchter Umgebung. Auch bei der Minenräumung oder als Lastenträger bei einer Notrettung im Gebirge sind Menschen schnell überfordert. Weltweit arbeiten deshalb zahlreiche Forschungseinrichtungen an der Entwicklung von Robotern für derartige Einsätze. Eine Schwäche der meisten dieser Prototypen ist jedoch ihre eingeschränkte Beweglichkeit, da sie in der Regel von Rädern angetrieben werden.

Einen anderen Ansatz verfolgen dagegen zum Beispiel die Wissenschaftler am Institut für Robotik der Johannes-Kepler-Universität Linz: Die österreichischen Forscher unter der Leitung von Dr. Hubert Gattringer haben eine autonome Laufmaschine entwickelt, die wie ein Mensch auf zwei Beinen geht und dadurch speziell in unwegsamem Gelände jedem rädergetriebenen Gerät überlegen sein sollte. Fernziel der Forschungsarbeit ist es, eines Tages in schwierigen Umgebungen Menschen durch mobile Roboter zu ersetzen. Das zweite große Anwendungsfeld für die Roboter ist der Bereich der medizinischen Rehabilitation und die Prothetik.

Steuerung und Sensoren fürs Gleichgewicht

Hohe technische Herausforderungen stellt bei einem solchen Aufbau vor allem das Stabilitätsproblem: Im Unterschied zu Menschen ist es für einen aufrecht gehenden Roboter mit seinem hohen Schwerpunkt keine unbewusste Selbstverständlichkeit, das Gleichgewicht zu halten. Um diese Aufgaben zu meistern, besitzen die Laufroboter aus Linz in den Knöcheln der Fußgelenke speziell entwickelte Kraftmomentensensoren auf der Basis von Dehnmessstreifen, mit denen die auftretenden Kräfte und Biegemomente gemessen und per Microcontroller an die Steuerung weitergegeben werden. Zusätzlich ist ein Orientierungssensor im Oberkörper integriert, der den Winkel zur Senkrechten ermittelt und anzeigt, ob der Schwerpunkt noch innerhalb der Fußfläche liegt und die Laufmaschine sich damit im Gleichgewicht befindet. Beschleunigungssensoren und Drehraten-Sensoren erfassen zusätzlich, ob sich der Roboter gerade aus der Gleichgewichtslage herausbewegt, und können dann die entsprechenden Gegenbewegungen einleiten.

Hightech im Gelenk

Angetrieben wird die Laufmaschine mit Hilfe der sogenannten PowerCube-Module des Greiftechnik- und Automationsspezialisten Schunk aus Lauffen am Neckar. Rein äußerlich gesehen bestehen diese Drehmodule aus zwei miteinander verbundenen Würfeln, die an der Verbindungsstelle so gelagert sind, dass sie sich gegeneinander verdrehen lassen. Die eher unauffällig wirkenden Kuben bilden nicht nur den Antrieb, sondern auch die Gelenke des Roboters. Dazu enthalten sie neben einem starken bürstenlosen Servomotor, der seine Kraft spielfrei über ein Harmonic Drive-Getriebe überträgt, auch die komplette Leistungs- und Steuerungselektronik mit einem inkrementalen Encoder für die Regelung von Lage und Geschwindigkeit sowie eine integrierte Endlagen-, Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung.

Die Kommunikation zwischen dem derzeit noch externen Steuerungsrechner und den Power Cube-Modulen erfolgt über einen CAN-Bus, über den alle Daten in Echtzeit zwischen Modulen, Sensoren und Steuerung ausgetauscht werden. Die Datenübertragung wie auch die Spannungsversorgung verlaufen über ein einziges Kabel mit einem Durchmesser von acht Millimetern, das alle Gelenke miteinander verbindet.

Modulares System

Insgesamt enthält die Linzer Laufmaschine eine Kombination von 14 PowerCube-Modulen in zwei verschiedenen Größen, die dem Roboter die gleichen Bewegungsmöglichkeiten verleihen, über die auch ein Mensch verfügt: Zwei Freiheitsgrade in den Knöcheln, einen im Kniegelenk sowie drei in jedem Hüftgelenk. Damit kann der Laufroboter Kurven gehen oder Treppen steigen und erreicht eine Gehgeschwindigkeit von 0,5 Meter pro Sekunde. Änderungen im Steuerungskonzept sollen diesen Wert künftig allerdings noch deutlich steigern.

Flexibler Einsatz

Die PowerCube-Module lassen sich mit individuellen Verbindungsteilen frei und flexibel zu rekonfigurierbaren, modularen Roboterstrukturen zusammensetzen. Der große Vorteil dieser Module liegt darin, dass man mit ihrer Hilfe einen Roboter sehr schnell zusammensetzen kann. Der Konstruktions­aufwand ist sehr gering, weil es innerhalb des Systems viele Standard- Verbindungs­elemente gibt. Neben geraden oder winkligen Verbindungs­elementen stehen zum Beispiel auch konische Verbinder zur Verfügung, die dort eingesetzt werden, wo PowerCubes unterschiedlicher Größe miteinander verbunden werden müssen. Der Systembaukasten macht es damit sehr einfach, sich einen Roboter genau nach Bedarf aufzubauen.

Schnell zur Lösung

Dank dieses einfachen Systems entstand die Laufmaschine aus Linz in nur drei Jahren. Die gemessen an der Komplexität der Aufgabe sehr kurze Zeit für die eigentliche Konstruktion ist vor allem den PowerCube-Modulen zu verdanken, und ließ entsprechend viel Zeit für die Entwicklung theoretischer Methoden und Modelle zur Steuerung der Laufmaschine.

Entsprechend schnell gestaltet sich die Weiterentwicklung des Projekts. Der aktuelle Laufroboter wird deshalb noch in diesem Jahr durch einen Nachfolger ersetzt. Basis des neuen Modells sind weiterentwickelte PowerCube-Module, deren Elektronik weiter verbessert wurde und die zum Beispiel kürzere Ansprechzeiten aufweisen. Diese Lösung beschleunigt die Nachregelung bei Bahnabweichungen, sodass sich die Bewegungsabläufe präziser regeln lassen und der Roboter insgesamt noch genauer auf seiner Bahn bleiben wird. Mittelfristig planen die Entwickler zudem, den Laufroboter mit einer künstlichen Hand auszustatten. Begleitend dazu wird ein optisches System entwickelt, das es dem Roboter ermöglichen soll, Gegenstände zu erkennen und sie sicher zugreifen.

Roland Tschakarow, Schunk/bt

Erschienen in Ausgabe: 06/2007