ETH Zürich und Maxon Motor F+E in der Robotik: Hüpf und weg

Autor / Redakteur: Adrian Venetz, Maxon Motor / Sergio Caré

Für viele Roboter bilden Treppen unüberwindbare Hindernisse. Ein junges Team der ETH Zürich baut ein Gefährt, das Stufen mit Leichtigkeit überwinden soll – und zwar hüpfend.

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Die Simulationen finden auch bei den ETH-Studenten bereits am Bildschirm mittels CAD-Programmen statt.
Die Simulationen finden auch bei den ETH-Studenten bereits am Bildschirm mittels CAD-Programmen statt.
(Bild: Maxon Motor)

Ascento – so lautet der schlichte Name der ausgefeilten Konstruktion von acht Maschinenbau- und einem Elektroingenieurstudenten der ETH Zürich. Der Roboter hat es in sich: Er fährt und balanciert auf zwei Rädern. Dies ist technisch zwar einiges schwieriger zu realisieren als ein Gefährt auf vier Rädern, doch die Beweglichkeit und die Anpassung an unterschiedliche Terrains sind mit einem sogenannten «bipedal robot» besser möglich.

Treppen und andere Hindernisse bewältigen

Damit nicht genug: Das Hauptziel der neun angehenden Ingenieure ist es, den Roboter springen zu lassen. Wie ein Känguru soll er mit einem kräftigen Satz in die Höhe schnellen und wieder sicher auf seinen zwei Rädern landen. «Damit könnte der Roboter Treppen und andere Hindernisse bewältigen», erklärt Student Florian Weber. Das Ascento-Team ist im Rahmen eines Fokusprojekts entstanden. Hierbei haben Bachelor-Studenten verschiedener Fachrichtungen die Möglichkeit, ihr theoretisches Wissen an einem konkreten Projekt anzuwenden – von der Idee bis zum funktionsfähigen Prototyp.

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Speziell am Ascento ist, dass es sich bei dieser Konstruktion quasi um ein inverses (umgekehrtes) Pendel handelt. Der Schwerpunkt liegt oberhalb der Achse. Folglich kann der Ascento nur aufrecht stehen und fahren, wenn er mit Strom versorgt wird und aktiv versucht, mit den Rädern die Balance zu halten. (Ähnlich wie ein stehender Mensch kontinuierlich Energie aufbringen muss, um das Gleichgewicht zu halten.) Vergleichbar ist der Ascento damit mit einem Segway: Auch hier wird das Gefährt von zwei Rädern angetrieben, die auf derselben Achse liegen, und es braucht eine geregelte Antriebstechnik, um die Balance zu halten.

Sprunghöhe und -weite selber berechnen

Einsatzmöglichkeiten für den Ascento liegen etwa im Bereich der Inspektionsrobotik in Gebäuden. Das Gefährt könnte beispielsweise in einsturzgefährdete oder brennende Häuser gebracht werden. Eine eingebaute Kamera liefert dann den Rettungskräften ausserhalb des Gebäudes wertvolle Informationen. Für solche Einsatzzwecke gibt es zwar schon verschiedene Roboter. «Doch gerade beim Treppensteigen kommen viele Roboter an ihre Grenzen», sagt Marcus Vierneisel, ebenfalls ein Mitglied der neunköpfigen Fokusgruppe. Der Ascento soll die Treppen im Schritt­tempo eines Menschen bewältigen können. Durch die leichte und zweirädrige Konstruktion ist der Ascento ohnehin agiler unterwegs als andere Roboter. «Grös­sere Roboter können dafür mit der Umwelt interagieren. Dies kann Ascento nicht», ergänzt Maschinenbaustudent Lionel Gulich. Ausgestattet mit Sensoren könne Ascento dafür in kurzer Zeit ein Gebäude auskundschaften und die Räume in 3D scannen. Der Prototyp wird natürlich noch nicht in der Lage sein, eigenständig ein ganzes Haus abzufahren. Er soll aber beispielsweise ferngesteuert auf eine Treppe zufahren und dann mittels Sensoren selbst ausmessen und berechnen können, welche Sprunghöhe und -weite nötig sind, um die einzelnen Treppenstufen zu bewältigen. «Jeden einzelnen Sprung mittels Fernsteuerung auszulösen, wäre viel zu kompliziert und langsam», gibt Florian Weber zu bedenken. Der Ascento fällt
damit in die Kategorie halbautonomer
Roboter.

Maxon lieferte Antriebssysteme

Ob aus dem Fokusprojekt und dem Ascento-­Prototyp dereinst tatsächlich ein serienreifer Inspektionsroboter werden kann, ist noch offen. Dies ist aber nicht das vordringliche Ziel. Ein Fokusprojekt dient den jungen ETH-Studierenden in erster Linie dazu, sich an ein konkretes Projekt zu wagen, statt nur Theorie zu büffeln.

Fachlich und finanziell unterstützt werden die angehenden Ingenieure vom Antriebsspezialisten Maxon Motor, dies im Rahmen des Young Engineers Program (YEP) von Maxon. Angetrieben wird der Ascento unter anderem mit zwei Maxon-­Motoren des Typs EC 90 flat. Das Dreh­moment von 963 mNm, das diese Motoren liefern, ist für die Fahrt des Roboters auf einer Ebene eigentlich überdimensioniert. Ihre Stärke bringen die Motoren beim Ausbalancieren des Ascento bei der Landung auf einer schmalen Treppenstufe ins Spiel, denn hierfür sind grosse und präzis gesteuerte Dreh­momente nötig. Die ETH-Studenten haben sich für die Frameless-Ausführung der Motoren entschieden. Hier werden Rotor und Stator getrennt und ohne Antriebswelle ausgeliefert. Erst bei der Integration in ein System werden Rotor und Stator miteinander verbunden. Gerade in der Robotik sind die Frameless-Motoren von Maxon oft die erste Wahl, weil sie eine platzsparende und elegante Einbindung in Gelenkstrukturen ermöglichen. Angesteuert werden die beiden Motoren von je einem EPOS4-Modul. SMM

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