Wie ein Vogel: Schlagflügelroboter kann auf Ästen landen
Ornithopter könnten Langstreckenmissionen erledigen. Dabei kann es von Vorteil sein, wenn sie etwa auf Ästen landen können.
Der Schlagflügelroboter landet auf einer Sitzstange.
(Bild: Raphael Zufferey)
Für Roboter mit schlagenden Flügeln ist es schon nicht einfach, sich in der Luft zu halten, umso schwerer ist es für sie, wie ein richtiger Vogel auf einem Ast zu landen. Forschenden der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ist dies nun gelungen. Ihr Schlagflügelroboter ist dazu mit nur einem klauenähnlichen Greiffuß ausgestattet, der blitzschnell zupacken kann. Das allein reicht allerdings nicht, damit der Ornithopter einen derart komplexen Landeablauf durchführen kann.
Das Landemanöver eines Vogels auf einem Ast ist ein Zusammenspiel aus präzisem Timing, hohen Kräften und der richtigen Geschwindigkeit, schreiben die Wissenschaftler in ihrer in Nature Communications veröffentlichten Studie "How ornithopters can perch autonomously on a branch". Ein Ornithopter muss dies in gleicher Präzision schaffen, in dem er die Geschwindigkeit vor der Landung reduziert, ohne dass der Flug unterbrochen wird und dann im richtigen Moment mit der Klaue zupackt. Dabei muss die Klaue stark genug sein, um den Vogel zu tragen, aber doch so leicht, dass sie den Flug nicht behindert.
Auf die Klaue kommt es an
Die Wissenschaftler unter der Leitung des Postdoktoranden Raphael Zufferey am Labor für Intelligente Systeme (LIS) und Biorobotik (BioRob) haben sich deshalb bei ihrem 700 g leichten Schlagflügelroboter dafür entschieden, ihn nur mit einer Klaue auszustatten, um Gewicht einzusparen und den Energiebedarf gering zu halten. Die mechanische, elektromotorisch und mit Zugfederkraft betätigte Klaue aus Carbon kann sich innerhalb von 25 ms schließen. Das Bein wird von einem Servo gesteuert, um den richtigen Winkel der Klaue für die Landung einzustellen. Die durch den Flügelschlag entstehenden Auf- und Abwärtsbewegungen der Klaue werden darüber ebenfalls ausgeglichen.
Beim Aufprall absorbiert der Greifer die Kraft, die durch die Vorwärtsbewegung entsteht und greift einen Ast so fest, dass der Robotervogel dann nicht herunterfällt. Energie wird zum weiteren Festhalten dann nicht mehr benötigt.
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In dem Ornithopter arbeiten ein Bordcomputer und ein Navigationssystem, die zusammen den Flug und die Flugbahn für die Landung steuern. Dafür ist eine möglichst exakte Bestimmung der Flugposition nötig, die die Wissenschaftler über ein externes Motion-Capture-System realisiert haben. Entsprechend funktioniert der Robotervogel derzeit noch nicht in einer beliebigen externen Umgebung und damit auch nicht vollständig autonom.
Autonom und ausdauernd für längere Missionen
Das soll sich nach dem Willen von Zufferey und seinen Mitstreitern ändern, damit der Schlagflügelroboter auch im Freien eingesetzt werden kann, um autonom Aufgaben übernehmen zu können. Denn für die Wissenschaftler ist die Landung auf einem Ast lediglich die erste Phase eines größeren Projekts.
"Wenn ein Ornithopter erst einmal die autonome Landung auf einem Ast beherrscht, hat er das Potenzial, bestimmte Aufgaben zu übernehmen, wie etwa das unauffällige Sammeln biologischer Proben oder Messungen an einem Baum. Schließlich könnte er sogar auf künstlichen Strukturen landen, was weitere Anwendungsbereiche erschließen würde", sagt Zufferey.
Das autonome Landen und Sitzen etwa auf einem Ast sehen die Forscher als eine Voraussetzung an, damit autonome Ornithopter, die nur eine begrenzte Energie zur Verfügung haben, ihre Akkus an einer sicheren Stelle mit Solarenergie füllen können. Das würde sie "möglicherweise ideal für Langstreckenmissionen machen".
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(olb)