EC-Motoren für Erkundungs-Roboter

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Selbständige Erfassung der Gelände-Struktur

Der 27 Kilogramm schwere Quince hat vier bewegliche Raupenantriebe (Flipper). Diese Flipper passen die Winkelstellung automatisch dem Untergrund an - egal, ob es eine steile Treppe oder unwegsames Gelände ist. Der korrekte Bodenkontakt ist dabei eine wichtige Voraussetzung. Dieser Kontakt wird durch Messung der Leistungsaufnahme der Flippermotoren genau analysiert. Außerdem messen Position Sensitive Device (PSD-) Sensoren am vorderen und hinteren Flipper den Abstand zum Boden. Neben den Einsatz eines Greifarms können am Roboter auch zwei Laserscanner befestigt werden, die die Struktur des Geländes genau erfassen können.

Außerdem hat Quince eine "Birds Eye Camera". Er ist mit einer Geschwindigkeit von 1,6 Meter pro Sekunde flott unterwegs. Der Operator muss bei der Steuerung des Roboters zwar die Richtung des Roboters vorgeben, doch die optimale Stellung der Flipper für die Überquerung unterschiedlicher Oberflächen, etwa einer Treppe, ermittelt der Roboter selbst. Bei den neueren Quince-Modellen wurde zusätzlich ein Gerät zum Sammeln von radioaktivem Staub oder ultrafeinen Partikeln eingebaut. Außerdem ist ein 3D-Scanner integriert. Damit kein Roboter verlorengeht, ist eine Verbindung zum drahtlosen Netzwerk möglich, denn nur so können sie auch noch navigiert werden, wenn das Verbindungskabel reißt.

Eiji Koyanagi, Vizedirektor des Chiba Institute of Technology Future Robotics Technology Center (Furo) hat den Rettungsroboter entwickelt. Koyanagi hatte seine Karriere als Lehrer begonnen - mit 51 Jahren wurde er zum Professor. Er hat damit einen völlig anderen Background als andere Roboterforscher. Er hat Quince speziell für extreme Bedingungen in Umgebungen konstruiert, die für den Menschen zu gefährlich sind. Sein Einsatzgebiet sind daher vor allem Katastrophengebiete. "Wenn man einen Roboter entwickelt, muss man zuerst an die Aufgaben denken, die er später erledigen soll. Das ist die größte Herausforderung", erklärt Koyanagi. Bisher wurden acht Stück des Quince-Roboters gebaut. Doch bevor es soweit war, mussten alle Komponenten hundertprozentig funktionstüchtig sein. Dafür wurden zahlreiche Versuche in dem Übungsgelände Disaster City in College Station, Texas, durchgeführt. So war Quince auch der einzige Roboter, der den kompletten Parcours des Geländes im Rahmen eines Robo-Cup-Wettbewerbs bewältigen konnte. Bei den Vorbereitungen zum Einsatz im Inneren des Kernkraftwerks Fukushima Daiichi waren einige Spezifikationen erforderlich. "Die Bedingungen in den Kernreaktor-Gebäuden sind extrem anspruchsvoll. Wenn wir versucht hätten, Quince ohne Modifikationen loszuschicken, wäre das wahrscheinlich sein Ende gewesen", sagt Koyanagi. Deshalb sollte der Roboter auf seiner Erkundungsmission in Japan einen Fall aus rund zwei Meter Höhe unbeschadet überstehen, und er muss weitgehend wartungsfrei operieren können.

Leistungsstarke Motoren überwinden jedes Hindernis

Auch bei der Auswahl der Motoren war Furo auf zuverlässige Antriebe angewiesen. Die Motoren sollten bei einer hohen Leistung und einer hohen Effizienz gleichzeitig klein und leicht sein. Diese Voraussetzungen erfüllten Maxon-Motoren. Für den Antrieb sorgen sechs leistungsstarke Geräte - der bürstenlose Gleichstrommotor EC-4pole 30 leistet je 200 Watt und ist in zweifacher Ausführung in den beiden Hauptketten verbaut. Diese vierpoligen Powerpakete leisten volle Arbeit, wenn sich Quince seinen Weg über unebenes Gelände bahnt. Vier weitere Motoren (EC 22) treiben die beweglichen Kettenantriebe an, die ihre Winkelstellung automatisch dem Untergrund anpassen. Die 3D-Scanner-Einheit wird durch einen RE-max 24 in die richtige Position bewegt. Durch die spezielle Wicklungstechnologie und die vierpoligen Magnete seien die EC Vier-Pole-Antriebe unschlagbar, wenn es um höchste Leitung pro Volumen- und Gewichtseinheit geht. Die Motoren haben kein Rastmoment, einen hohen Wirkungsgrad und eine bemerkenswerte Regeldynamik. Das Metallgehäuse gewährt außerdem eine gute Wärmeabfuhr und mechanische Stabilität. Alle Motoren der Laufketten wurden mit dem Planetengetriebe GP32HP (High Power) mit MR-Encoder kombiniert. Dieses Getriebe wurde kundenspezifisch angepasst, indem ein großes Kugellager und eine verstärkte Motorwelle verbaut wurden. Mit diesem Powerpaket sei es für Quince problemlos möglich, beinahe jedes Hindernis zu bewältigen.

pb