Wheelbot: Einrädriger Roboter steht selbstständig auf
Der Wheelbot nutzt ein Reaktionsrad, um auf einem rollenden Rad fahren zu können und selbstständig auf das Rad zu "springen".
Der Wheelbot lässt sich nicht aus der Ruhe bringen und kann sich selbstständig aufrichten.
(Bild: A. René Geist (Screenshot))
Ein Forscherteam der RWTH Aachen und des Max-Plank-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) hat mit dem Wheelbot einen Roboter entwickelt, der sich als symmetrisches Reaktionsrad-Einrad aus jeder Position autonom auf sein Rollrad stellen kann. Der minimalistische Roboter soll als Test-Plattform in Forschung und Lehre dienen. Aufgrund des einfachen Aufbaus und der Verwendung von Teilen aus dem 3D-Drucker lässt er sich leicht nachbauen.
Der Wheelbot des Forschungsteams ist lediglich 22 cm groß. Er verfügt im Stand über zwei vertikal angeordnete Räder, die 90 Grad zueinander versetzt stehen. Auf einem Rad rollt der Roboter. Das andere Rad dient als Reaktionsrad, das von einer Elektronik angesteuert für ein stabiles einrädriges Balancieren sorgt, geht aus dem in IEEE Reaction and Automation Letters veröffentlichten Paper "The Wheelbot: A Jumping Reaction Wheel Unicycle" hervor.
Aufbau so einfach wie möglich
"Bisherige Einradroboter sind so konzipiert, dass sie nur in ihrer aufrechten Gleichgewichtsposition balancieren, was die Möglichkeiten dieser Systeme erheblich einschränkt", erklärt René Geist, leitender Forscher des Wheelbot-Projekts und Mitglied des Teams von Professor Sebastian Trimpe an der RWTH Aachen. "Um den Nutzen eines Einradroboters mit Reaktionsrädern zu maximieren, haben wir beschlossen, dass der Wheelbot in der Lage sein muss, sich von ziemlich großen Störungen zu erholen, dass er über eine integrierte Stromversorgung verfügen muss, um zu verhindern, dass Kabel seine Manövrierfähigkeit einschränken, und dass er außerdem in der Lage sein muss, sich nach dem Umkippen selbst wieder aufzurichten."
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Der Aufbau des Roboters soll dabei so einfach wie möglich sein. Das Forscherteam entschloss sich deshalb, die Reaktionsrad-Technik zu verwenden. Im Gegensatz zu Gyroskopen zur Stabilisierung ist diese Technik günstiger und die Ausgleichsmomente fallen im Vergleich zu den Reaktionsmomenten beim Reaktionsrad geringer aus.
Selbstaufrichtung
Die Reaktionsmomente nutzt der Roboter dann auch zum Aufrichten aus einer beliebigen Ausgangsposition heraus, wie das Video (ab 2:19) zeigt. Bei dem Vorgang zieht der kleine Hochleistungsmotor 16 A bei 24 V. Die Forscher mussten zur Motoransteuerung einen passenden Controller entwickeln, weil bestehende Controller entweder zu groß oder zu schwach waren. Das Forscherteam entwickelte auch einen "Zustandsschätzer", ein Algorithmus, der die Roll- und Nickwinkel des Roboter einschätzen kann. Vier IMUs (Inertial Measurement Unit) und Raddrehgeber liefern dazu die benötigten Daten.
Nach Angaben des Forscherteams ist der Wheelbot der erste Einradroboter, der aus einer beliebigen Ausgangssituation effizient auf seine Räder "springen" kann. Zusätzlich sei Wheelbot "ein anspruchsvoller Prüfstand für die Roboterforschung". Wheelbot eigne sich damit als Lehr- und Experimentierplattform, um Studierende in die Robotik einzuführen.
Die nächste Version des Wheelbot soll noch einfacher zu bauen und zu benutzen sein. Das Wissenschaftsteam will den Roboter so zugänglicher machen. Der Wheelbot V3 wird etwas kleiner sein, einen leistungsfähigeren Mikrocontroller haben "und in Bezug auf das Firmware-Design einfacher zu bedienen sein", verspricht Geist. Das Team arbeitet außerdem daran, den Wheelbot auf einer vordefinierten Bahn rollen zu lassen. Dabei soll er dann auch wendige Fahrmanöver durchführen können.
(olb)