Einbausatz HFUC-14-100-2A-R

Mond-Ameise

Antriebe für autonomen terrestrischen Kletterroboter
Der SpaceClimber im Einsatz in der DFKI Weltraum-Explorationshalle.
Das Harmonic-Drive-Prinzip hat bereits 1969 seine Raumfahrttauglichkeit bewiesen. Jetzt ist eine weitere Anwendungen hinzugekommen: der SpaceClimber. Er bewegt sich unter anderem mit einem Antriebs-Einbausatz des Limburger Herstellers.

Der „Mann im Mond“ ist noch immer ein Geheimnis. Ihm auf die Spur zu kommen ist ein Wunsch, der so alt ist wie die Menschheit. Ein Meilenstein in der Geschichte war 1969 die Landung von Apollo 11 auf dem Mond, ein weiterer das Lunar Roving Vehicle (LRV), dank dessen sich die Astronauten in den Missionen Apollo 15, 16 und 17 bis zu 7,6 Kilometer von ihrer Mondlandefähre entfernen konnten – jedes Projekt eine immense Herausforderung für die Technik. Während man in der Anfangsphase – sicher auch aus Prestigegründen – auf die bemannte Erkundung setzte, arbeitet man heute weltweit an der Entwicklung autonomer Einheiten, die zunehmend menschliche Fähigkeiten besitzen und unter extremen Bedingungen einsetzbar sind. Ob LRV oder autonome Einheit: Auf das Harmonic-Drive-Prinzip mit den Merkmalen hohe Übersetzung, kleiner Bauraum, geringes Gewicht sowie spielfreie Verzahnung über die gesamte Lebensdauer greifen Entwickler oft zurück. Jüngstes Beispiel ist die Entwicklung des SpaceClimber Roboter durch das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) im Robotics Innovation Center (RIC) in Bremen. Ziel war es, einen terrestrischen Kletterroboter zu entwickeln, der auch in schwierigem Terrain klarkommt.

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Vorbild Natur

Während das LRV einen Menschen als Fahrzeugführer erhielt und lediglich der Erweiterung des Aktionsradius in einfachem Terrain diente, müssen moderne autonome Einheiten ihre Umgebung selbständig erkennen, Entscheidungen treffen und handeln. In Anlehnung an natürliche Vorbilder entschied sich das DFKI für Beine statt Räder als Fortbewegungsmittel. Hohe Mobilität heißt, auch vor eingestürzten Gebäuden, Geröllfeldern, Kratern oder Canyonwänden nicht zu kapitulieren. Wie schon oft stellte auch dieses Mal die Biologie ein nahezu perfektes Vorbild für das Laufrobotersystem: die Ameise. Ob laufend, kriechend oder kletternd – der mit sechs Beinen ausgestattete Korpus setzt bei Mobilität und Leistungsfähigkeit Maßstäbe. Schließlich sollte zum Schluss des Projektes ein Kletterroboter stehen, der nicht-uniforme Steigungen bis zu 80 Prozent sicher beherrscht und mit eingebrachter Sensorik lokal autonom navigieren kann. Zudem sollte nachgewiesen werden, dass Laufrobotersysteme für künftige Missionen in schwierigem Gelände, besonders bei Krater- und Felsspaltenmissionen, optimal arbeiten und zu den wissenschaftlich interessanten Orten auch auf anderen Planeten vorstoßen können. In Analogie zur Erde erwarten Geologen hier einen Zugriff auf unterschiedliche, aus verschiedenen Epochen stammende Sedimentschichten. Diese Orte sind für exogeologische und -biologische Untersuchungen sehr geeignet. Auf dem Mond sind insbesondere auch die Asteroidenkrater an den Polen für die Forschung von Interesse, wo alte (inter-)- stellare Partikel sowie gefrorenes Wasser erwartet werden.

Wie bei allen autonomen Einheiten sind auch beim SpaceClimber Robustheit, Energieeffizienz, Ausfallsicherheit und Autonomie wichtig. Forderungen nach geringem Gewicht stehen auf der einen Seite und nach hohen Drehmomenten und Stabilität auf der anderen Seite. Ein Knackpunkt war die Entwicklung der Beine: Mit rund 70 Prozent Gewichtsanteil bei sechs- oder achtbeinigen Laufrobotersystemen beeinflussen sie maßgeblich die Energieeffizienz. Mit dem Erfahrungsschatz aus etlichen Voruntersuchungen und Experimenten wurden neuartige Beine mit vier baugleichen Gelenken entwickelt. Folgende Zusatzanforderungen gab es: Kabelführung innerhalb der Struktur, also auch durch das Getriebe, Drehwinkel bis 720 Grad, absolute Positionsanzeige sowie variable Montage für serielle Kinematik. Die Projektverantwortlichen entschieden sich für eine Kombination aus einem Harmonic-Drive-Einbausatz und einem bürstenlosen Motorbausatz von RoboDrive.

Das Harmonic-Drive-Prinzip hat bereits 1969 seine Raumfahrttauglichkeit als Nabenantrieb im LRV bewiesen. Inzwischen sind unzählige weitere Anwendungen hinzugekommen, denn mit nur drei Baugruppen lassen sich bei geringem Platzbedarf und wenig Masse hohe Übersetzungen realisieren. Mit Weiterentwicklungen, etwa der Trockenschmierung, lassen sich neue Einsatzfelder erschließen. Der hier ausgewählte Einbausatz Typ HFUC-14-100-2A-R erfüllt mit seiner Spezifikation die gestellten Anforderungen an Übersetzung (i=100), Drehmoment (zulässiges Kollisionsdrehmoment 54 Newtonmeter), Größe sowie Gewicht (90 Gramm) und lässt sich gut mit dem RoboDrive Motor ILM 50x8 kombinieren. Durch spielfreie Verzahnung und hohe Überlastbarkeit sollte der Zeitaufwand für Referenzierung und Baugruppenaustausch verringert werden. Weiterhin verfügt der Aktuator über eine FPGA-basierte programmierbare Leistungselektronik, die mit speziellem LVDS-Bus angesteuert wird, einem motorseitigen und abtriebsseitigen Gebersystem zur Umsetzung der absoluten Positionsanzeige, ein Miniaturmikrofon und zwei Temperatursensoren. Eine alternative Elektronik mit einer CAN-Schnittstelle ist beim DFKI verfügbar. Aus Gewichtsgründen wurde auf die allgemein üblichen Fettabdichtungen verzichtet und das Getriebe nur mit minimaler Fettmenge geschmiert. Dennoch ließ es sich ohne Leistungseinschränkung betreiben. Voruntersuchungen und Messreihen zeigten, dass keine Begrenzung des maximalen Motormoments von 0,9 Newtonmeter erforderlich ist und aus der Stromaufnahme verlässliche Daten über das Abtriebsmoment ermittelt werden können.
Neben der optischen Wahrnehmung erfolgt während der Fortbewegung ein Informationsrückfluss durch Tasten, Fühlen und Hören. Diese Informationen benötigt auch der SpaceClimber zur Koordination der Gelenkbewegungen. Zum Beispiel: Welche Reaktion ist angemessen, wenn der Untergrund nachgibt oder der Fuß in ein Loch tritt? Auch in den Füßen und in der Rumpfaufhängung sind Sensoren integriert. Mit all den gewonnenen Daten können die Forscher des DFKI bioinspirierte Bewegungsmuster generieren. Weiterhin können Belastungszustände analysiert und eventuelle Schäden diagnostiziert werden, um angepasste Bewegungsmuster zu erstellen. Erhard Leppin/pb

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