Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 04/2018, 12.04.2018

Hüpf und weg

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. Dabei spielen rahmenlose Flachmotoren von Maxon Motor eine wesentliche Rolle.

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 ist mit einem sogenannten «bipedal robot» besser möglich.

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 Prototypen.

Speziell am Ascento ist, dass es sich bei dieser Konstruktion quasi um ein inverses 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 mit den Rädern die Balance halten kann – ähnlich wie ein stehender Mensch, der kontinuierlich Energie aufwenden muss, um sein 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.

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 Einsatz- zwecke 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 in Schritttempo eines Menschen bewältigen können. Durch die leichte 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 ist, um die einzelnen Treppenstufen zu bewältigen. «Jeden einzelnen Sprung mittels Fernsteuerung auszulösen, wäre viel zu kompliziert und zu langsam», gibt Florian Weber zu bedenken. Damit fällt der Ascento in die Kategorie der halbautonomen Roboter.

Ob aus dem Fokusprojekt und dem Ascento-Prototypen 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 im Rahmen des Young Engineers Program (YEP) des Antriebsherstellers aus Sachseln.

Angetrieben wird der Ascento unter anderem mit zwei Motoren des Typs «EC 90 flat» von Maxon. 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 Framless-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 des Herstellers. (msc)

maxon motor AG 6072 Sachseln, Tel. 041 666 15 00 info@maxonmotor.com

Hannover Messe Halle 15 Stand D09



Von links: Ciro Salzmann, Marcus Vierneisel, Lionel Gulich, Florian Weber mit dem Ascento. (Bilder: Maxon)


Eine der Antriebseinheiten vom Typ «EC frameless 90 flat, brushless, 260 W» von Maxon Motor.


Die Kinematik des Roboters in stehender Ausgangsposition