ETH-Forschungsprojekt mit Anymal

ETH-Roboter Anymal inspiziert Kanalisation von Zürich

| Autor / Redakteur: Andres Eberhard* / Sariana Kunze

Der autonome Roboter Anymal inspiziert im Rahmen des Forschungsprojekts Thing die Kanalisation der Stadt Zürich, Schweiz.
Der autonome Roboter Anymal inspiziert im Rahmen des Forschungsprojekts Thing die Kanalisation der Stadt Zürich, Schweiz. (Bild: ETH Zürich / Daniel Winkler)

Der Roboter „Anymal“ kann spüren, sehen und hören. Forschende der ETH Zürich haben diesen Laufroboter für Extrembedingungen entwickelt. Er soll dorthin gehen, wo es für Menschen zu gefährlich ist oder wo die Arbeitsbedingungen sehr unangenehm sind. Jetzt erkundet Anymal die Kanalisation von Zürich.

Zwei Männer heben eine 30 kg schwere Hightechmaschine an und lassen sie an einem Seil hinunter in die Dunkelheit des Schachts. 4 m tief in die Kanalisation Zürichs.

Eine Gruppe von Forschern testet, ob der vom Robotic Systems Lab und dem ETH-Spin-off Anybotics entwickelte Roboter Anymal in Abwasserkanälen eingesetzt werden kann. Er könnte in Zukunft die Mitarbeiter der Stadt Zürich entlasten, die regelmässig durch die rund 100 km begehbaren Schächte im Stadtgebiet gehen oder kriechen, um sie auf Beschädigungen an Boden und Wänden zu überprüfen – eine nicht nur ungesunde, sondern auch gefährliche Arbeit. Denn diese Schächte können sich innerhalb von sehr kurzer Zeit mit Wasser füllen. Ein weiterer Vorteil: Der Roboter könnte Kanäle inspizieren, die mit heutiger Technologie gar nicht zugänglich sind.

Roboter Anymal modular aufrüsten für die Kanalisation

Der Roboter, den die Forscher nun in der Tiefe des Schachts auf die Füsse stellen, ist rund einen halben Meter gross und hat neben vier gelenkigen Beinen eine Art Kopf, der aus einer Kamera sowie verschiedenen Sensoren besteht. Die Maschine ist modular gebaut und kann je nach Anwendung aufgerüstet werden.

Peter Fankhauser, Mitbegründer des ETH-Spin-offs, funkt die Kollegen an, welche die Aktion von der Oberfläche aus koordinieren und dem Roboter Befehle erteilen. Dann bedient er einen Joystick und der Roboter stapft vorwärts. Weil es der erste Lauf in unbekanntem Gelände ist, steuert er den Roboter teilweise, obwohl sich dieser auch autonom bewegen kann. „Eine Sicherheitsmassnahme. Wenn es im Labor funktioniert, heisst das nicht immer, dass es auch in der Realität klappt“, erklärt Fankhauser. Schliesslich muss der Roboter hier unten unter komplett anderen Bedingungen funktionieren: Der nasse Kanal ist rutschig, die Temperatur tiefer, die Luftfeuchtigkeit höher als im Labor. Und: Es ist dunkel.

Roboter orientiert sich mit Lasersensoren und Kameras

„Hier sieht es überall gleich aus“, sagt Fankhauser als der Roboter in langsamem Schritttempo den rund 3 m hohen und 5 m breiten Kanal entlang geht. Das auf drei Jahre angelegte Forschungsprojekt namens THING (subTerranean Haptic InvestiGator) bezweckt, dass Roboter ihre Umgebung besser wahrnehmen können und fähig sind, sich autonom darin fortzubewegen. In der Regel orientieren sich Roboter mit 3D-Kameras und Lasersensoren, diese sind allerdings anfällig für anspruchsvolle Bedingungen – zum Beispiel Wasser am Boden oder Staub in der Luft. Deswegen sehen die Forschenden die Lösung in einer verbesserten haptischen Wahrnehmung – also die Orientierung über den Tastsinn.

Für das Projekt haben sich ETH-Forscher mit Kollegen aus Edinburgh, Pisa, Oxford und Poznan zusammengetan. Alle Hochschulen forschen mit einem Anymal-Roboter und man trifft sich regelmässig. Neben den Tests im Abwasserkanal stehen nächstes Jahr auch solche in einer polnischen Kupfermine an, wo der Roboter bei völlig anderem Klima – in staubiger und heisser Luft auf gerölligem Untergrund – funktionieren soll. Von Seiten der ETH ist das Labor für Robotersysteme vertreten, unter Leitung von Prof. Marco Hutter.

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An diesem ersten Testtag ist eine der wichtigsten Fragen, ob sich der Roboter in der Dunkelheit der Kanalisation überhaupt orientieren kann. Anfangs tragen zwei Helfer grosse LED-Lampen. Dann ordnet Fankhauser an, das Licht abzustellen, und funkt nach oben, man solle den Roboter anweisen, sein eigenes Licht zu benutzen. In der Dunkelheit hilft der Tastsinn, aber nicht nur. „Der Roboter scannt mit Hilfe von Lasersensoren und Kameras seine Umgebung und soll anhand von Ungleichmässigkeiten im Beton erkennen, wo er gerade ist“, erklärt Hutter. Es leuchten nur noch die kleinen, runden LED-Lichter am „Kopf“ des Roboters.

Anymal soll sich in jedem Gelände fortbewegen können

Bereits seit 2009 wird an der ETH an vierbeinigen Robotern geforscht. Der Prototyp des Anymal entstand 2015, ein Jahr später wurde der Spin-off Anybotics gegründet, der sich zum Ziel gesetzt hat, den Roboter überall einsatzfähig zu machen – eine Voraussetzung für viele Anwendungsgebiete. „Let Robots Go Anywhere“, lautet der Slogan der Firma. Zwei- bis dreimal pro Monat ist man für Tests unterwegs. So reisten Fankhauser und ein Teil seines Teams kürzlich auf eine Offshore-Plattform, die mitten in der Nordsee liegt. Dort könnte der Roboter einst Inspektionsaufgaben übernehmen – bei der Pilotinstallation absolvierte Anymal bereits mehrere Inspektionsrouten erfolgreich autonom.

Nach fast zehn Jahren Forschungsarbeit kann Anymal so einiges: Er bewegt sich nicht nur autonom fort, sondern ist auch mit mehreren Sinnen ausgestattet: Er kann sehen, hören oder spüren. Dadurch kann der Roboter beispielsweise die Luftdruckanzeige einer Maschine ablesen, Geräusche einordnen oder auch Objekte erkennen – etwa, um zu überprüfen, ob der Feuerlöscher am richtigen Platz ist. Auch ist er in der Lage, bestimmte Handgriffe selbst zu erledigen: Mit Hilfe eines zusätzlichen Greifarms kann er eine Tür öffnen, Abfall entsorgen oder einen Liftknopf drücken. Zudem liefert er Daten, die in vielen Belangen präziser sind als jene, die unsere Augen, Ohren oder Nasen liefern: etwa für Temperatur, Gase in der Luft oder seit Neustem auch für die Beschaffenheit des Bodens.

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Roboter zeichnet 500.000 Messungen pro Sekunde auf

Als Fankhauser nach oben funkt, dass der Roboter mit einem Fuss die Wand des Kanals berühren soll, sind die ETH-Mitarbeiter gefordert. Denn die verwendete Software ist dafür nicht vorprogrammiert. Kurzerhand verwenden sie einen Algorithmus, der ursprünglich programmiert wurde, um Anymal das Händeschütteln beizubringen. Damit der Roboter nicht mit voller Wucht gegen die Wand schlägt, müssen die Forscher die Parameter anpassen – es handelt sich in diesem Fall um den Winkel, mit dem der Roboter das Bein anheben soll. „100“, tippt einer der Mitarbeiter, dann erhöht er den Wert kontinuierlich. Bei 180 passt es, das Manöver klappt.

Nach dem ersten Testlauf erklärt Frankhauser abschliessend: „Der Roboter war nonstop im Einsatz und hat eine Menge Daten gesammelt. Alle Teams nehmen ein grosses Datenset nach Hause, mit dem wir weiterforschen können.“ Man ist dem Ziel, dass der Roboter auch bei anspruchsvollen Bedingungen unter der Erde funktioniert, einen Schritt näher gekommen. Noch ist die Arbeit aber nicht getan: Rund 500.000 Messungen pro Sekunde hat der Roboter an diesem Tag aufgezeichnet.

Eventtipp: SMM Kongress 2019 - Unternehmerische Erfolgsstrategien Welche Strategien wählen erfolgreiche Schweizer Unternehmer für einen nachhaltigen Unternehmenserfolg und welche Herausforderungen und Chancen sehen sie für die Schweizer Industrie? Der SMM Kongress gibt den Teilnehmern die exklusive Gelegenheit, Einblicke in die Strategien von Schweizer Technologieführern zu erhalten.
Special Guest: Dieter Meier, Künstler und Unternehmer (Yello)
Keynotes: Klaus Endress (Endress+Hauser Gruppe) , Prof. Hans Gut (MAN Energy Solutions Schweiz)
Wann: Dienstag, 26. März 2019
Wo: Forum der Messe Luzern
Informationen: www.smm-kongress.ch

* Andres Eberhard, ETH Zürich

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