Forscher entwickeln Konzept für rekordverdächtigen Hochsprungroboter

Ein Konzept für einen Roboter, der bis zu 120 m hoch springen kann, hat ein Ingenieurteam der Universität Manchester entwickelt. Die Forscher verwendeten eine Kombination aus Mathematik, Computersimulation und Laborexperimenten, um das optimale Design dafür zu ermitteln.

Der beste Hochsprungroboter kann zurzeit bis zu 33 m hoch springen. Das entspricht etwa dem 110-fachen seiner eigenen Körperhöhe. Die Ingenieure der University of Manchester wollen das noch toppen. Ihr Ziel: Einen Roboter zu bauen, der auf der Erde so hoch wie möglich springen kann. Seine Einsatzgebiete sollen in der Erforschung von Planeten, dem Einsatz in Katastrophengebieten oder dem Durchführen von Überwachungsaufgaben in gefährlichen Gebieten liegen – also Nutzungsszenarien, in denen ein Roboter gegebenenfalls sehr hohe Hindernisse selbstständig überwinden können muss.

In dem wissenschaftlichen Artikel "Characterising the take-off dynamics and energy efficiency in spring-driven jumping robots" der Fachzeitschrift Mechanism and Machine Theory beschreiben die Wissenschaftler ein Konzeptdesign eines solchen Hochsprungroboters, der bis zu 120 m hoch springen können soll. Die Wissenschaftler bedienten sich bei der Konzeption verschiedener Methoden wie etwa mathematische Berechnungen, Simulationen am Computer sowie Experimente an modellhaften Robotern im Labor, um ein Design zu ermitteln, das die größte Aussicht auf Erfolg verspricht.

"Roboter sind traditionell so konzipiert, dass sie sich auf Rädern oder mit Beinen fortbewegen, aber das Springen bietet eine effektive Möglichkeit, sich an Orten fortzubewegen, in denen das Gelände sehr uneben ist oder es viele Hindernisse gibt, wie zum Beispiel in Höhlen, in Wäldern, über Felsbrocken oder sogar auf der Oberfläche anderer Planeten im All", sagt John Lo, Research Associate in Space Robotics an der Universität Manchester und einer der Autoren der Studie. Bei der Konstruktion eines solchen Roboters gebe es eine Reihe von Herausforderungen, die zu bewältigen sind. Allen voran stehen eine Verbesserung der Leistung und Energieeffizienz solcher Roboter.

Energieeffizienz erhöhen

Die Wissenschaftler legten sich bei ihrem Design auf einen federgetriebenen Sprungroboter fest und untersuchten, welche Nachteile sie haben, um sie eliminieren zu können. Dabei stellten die Forscher fest, dass solche Sprungroboter oft abheben, bevor sie ihre gespeicherte Federenergie überhaupt vollständig freisetzen können. Das führt zu ineffizienten Sprüngen und sorgt für eine niedrigere Sprunghöhe. Hinzu kommt, dass bei diesen Sprüngen viel Energie verschwendet wird. Die Roboter drehen sich dabei etwa oder beschreiben eine Seitwärtsbewegung, anstatt sich senkrecht nach oben zu bewegen.

Die Forscher berücksichtigten diese Erkenntnisse bei ihrem Konstruktionsdesign. Sie bezogen dabei mehrere unterschiedliche Arten in Betracht, wie etwa einen Roboter mit Beinen zum Springen wie ein Känguru oder eine Konstruktion mit einem federgetriebenen Kolben. Auch das Aussehen spielte eine Rolle, um eine möglichst gerade, senkrechte Flugbahn ohne Verdrehungen zu erreichen. Zur Auswahl standen symmetrische Formen, wie die eines Diamants, gebogene oder organische. Die Wissenschaftler entschlossen sich letztendlich für eine Konstruktion mit einem motorisch angetriebenen Federbein.

"Unsere strukturellen Umgestaltungen verteilen die Masse der Roboterkomponenten nach oben und verjüngen die Struktur nach unten. Leichtere Beine in Form eines Prismas und die Verwendung von Federn, die sich nur dehnen, sind alles Eigenschaften, die nachweislich die Leistung und vor allem die Energieeffizienz des Springroboters verbessern", sagt Lo.

Auch über die Größe des Roboters machten sich die Forscher Gedanken. So sind kleine Roboter zwar leicht und wendig, können aber nicht so viel Kraft entfalten, wie Roboter, die größere Motoren für kraftvollere Sprünge besitzen. Die optimale Version liege nach Angaben der Wissenschaftler "irgendwo in der Mitte".

Konzeptdesign in der Praxis

Ihr Konzeptdesign testeten die Forscher an einem physischen Modell. Der Roboter zieht dabei elektromotorisch ein prismaförmiges Federbein zusammen, um so die nötige Energie in den Federn für den Sprung zu speichern. Die gespeicherte Energie wird dann sofort in einem Stück freigegeben, um das Federbein zu entfalten. Die Wissenschaftler gehen anhand von Berechnungen und Computersimulationen davon aus, dass mit dieser Art Roboter Sprunghöhen in Bereichen um die 120 m möglich sind. Auf dem Mond mit verringerter Gravitation seien Höhen um die 200 m denkbar.

Die Forscher der Universität Manchester versuchen nun, ihr Design weiter zu verfeinern. So arbeiten sie daran, die Richtung der Sprünge zu kontrollieren. Außerdem wollen sie die bei der Landung entstehende kinetische Energie nutzen, um die Anzahl der Sprünge zu erhöhen. Um den Roboter auch auf dem Mond einsetzen zu können, wollen die Wissenschaftler ein kompakteres und leichteres Design erstellen. Der Roboter soll sich dadurch besser für den Transport in einer Rakete eignen.

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(olb)