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SCORPION: Ein biologisch inspirierter Laufroboter für schwer zugängliches Terrain

Seminararbeit 2010 29 Seiten

Elektrotechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Entwicklung
2.1. Integration Study - 1999
2.2. SCORPION I - 2000
2.3. SCORPION II - 2000
2.4. SCORPION III - 2001
2.5. SCORPION IV - 2002

3. Einsatzgebiete des SCORPIONs
3.1. Extraterrestrische Missionen
3.2. SAR-Einsätze
3.3. Erforschung extremophiler Lebensformen

4. Biologisch inspirierte Roboter

5. Biomimetische Steuerungsansätze

6. Funktionen des SCORPIONs
6.1. Problemloses Laufen auf verschiedenen Untergründen
6.2. Hindernisüberwindung
6.3. Die Redundanz des Systems
6.4. Alternative Fortbewegungsmöglichkeiten

7. Schwächen des SCORPIONs

8. Der SCORPION heute

9. Fazit

Literatur

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1. Beinaufbau des SCORPIONs (Klaassen et al., 2001)

Abbildung 2. SCORPION I (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Abbildung 3. SCORPION II (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Abbildung 4. Der flexible SCORPION III (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Abbildung 5. Neue Federung im distalen Segment (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Abbildung 6. Beispiel für biologisch inspirierte Roboter: Robot III (Delcomyn, 2007)

Abbildung 7. Schema des Steuerungsansatzes (Spenneberg et al., 2004)

Abbildung 8. LEMUR Lauf- und Kletterroboter (NASA, 2009a)

Abbildung 9. SpaceClimber - freikletternder R. für extraterrestrische Krater (DFKI, 2009c).

1. Einleitung

Bereits Leonardo da Vinci beschäftigte sich mit dem Ansatz, die Natur zu beobachten und sie sich zum Vorbild für technische Geräte zu nehmen. Er sagte: „Die gütige Natur sorgt dafür, dass du in der ganzen Welt immer etwas zu lernen findest“ (vgl. Pichler, 2009: 5). Auch auf den Skorpion, der bei den Menschen meist gefürchtet ist, wurden die Forscher aufmerksam. Mit seinen großen Scheren begibt er sich auf Beutejagd und nutzt den Giftstachel als letztes Mittel, sein Opfer zu bezwingen. Es ist jedoch weniger bekannt, dass der Skorpion über einen Bewegungsapparat verfügt, der für die Wissenschaft und besonders für die Raumfahrt von großem Interesse ist. Denn obwohl der Panzer des Skorpions hart und steif ist, kann er sich in extrem unwegsamem Terrain bewegen. Dabei kann dieses achtbeinige Spinnentier sogar Sandboden und Hügel, die mehrfach so hoch sind wie er selbst, große Felsen und Krater problemlos überwinden. Diese sichere Fortbewegung kann nicht nur für das Fortkommen auf der Erde nutzbar gemacht werden (vgl. SWR 2008).

Die Forscher des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) befassten sich genauer mit diesem Thema. Sie untersuchten den Aufbau und das Bewegungsmuster des Skorpions und begannen im Jahr 1999 mit dem Projekt SCORPION. Ziel dieses Projektes war es, einen sehr robusten, achtbeinigen Roboter zu entwickeln, der für sehr steilen und unebenen Untergrund geeignet ist. Der SCORPION verwendet ein biomimetisches Steuerungskonzept, das sehr flexible Laufbewegungen über verschiedenste Geländetypen ermöglicht. Die Laufmuster orientieren sich an den Bewegungen echter Skorpione.

Zunächst werden die verschiedenen Entwicklungsstufen des SCORPIONs behandelt und es wird dargelegt, welche Einsatzgebiete für den SCORPION bestehen. Des Weiteren werden das Konzept biologisch inspirierter Roboter und biomimetische Steuerungsansätze vorgestellt, letztere insbesondere bezogen auf das Steuerungskonzept des SCORPIONs. Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die einzelnen Funktionen des SCORPIONs, seine Schwächen und sein heutiger Einsatz aufgezeigt.

2. Entwicklung

Seit Beginn des Projektes im Jahr 1999 wurden eine Integration Study sowie vier Systeme mit iterativer Annäherung aufgebaut, um letztendlich die Robustheit des SCORPION IV zu erreichen.

2.1. Integration Study - 1999

Die Integration Study, die im Herbst 1999 begann, war das erste komplette System, das während des Projekts SCORPION gebaut wurde. Mit Hilfe dieses Systems wurde das Zusammenspiel der Elektronik und der ersten Software-Konzepte sowie einer ersten Version der Beine mit drei Freiheitsgraden getestet. Diese Beine bestanden aus jeweils einem thoraxialen Gelenk für die Pro- und Retraktion, einem basalen Gelenk zur Anhebung und Absenkung und einem distalen Gelenk zur Streckung des Beines (s. Abb. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1. Beinaufbau des SCORPIONs. Diese Vorderansicht zeigt die rechten und linken Beine sowie den Körper in der Mitte. Jedes Bein besitzt drei Gelenke: 1) thoraxiales Gelenk, 2) basales Gelenk, 3) distales Gelenk (Klaassen et al., 2001)

Die Entscheidung für lediglich drei Freiheitsgrade beruht auf Ergebnissen aus Studien mit echten Skorpionen, in denen beschrieben wird, dass meist nur drei Gelenke für die Fortbewegung auf dem Boden genutzt werden. Die bei den Tieren vorhandenen zusätzlichen Gelenke werden hauptsächlich für andere Funktionen, wie z. B. für die Nahrungsaufnahme oder den Beutefang, verwendet.

Die Beine bestanden in der Integration Study aus leichten Verbundwerkstoffen und kleinen 10mm-Motoren mit Kunststoffgetrieben. Die Steuerungs-Hardware bestand aus maßgefertigten Mikrosteuergeräten.

Während der Integration Study wurden bereits erste Laufversuche durchgeführt. In dieser Phase des Projekts wurden auch Versuche mit neun Mikrosteuergeräten (ein Gerät für jeweils ein Bein, ein Gerät für die Zentralsteuerung) durchgeführt, die über einen CAN-Bus verbunden waren (vgl. Spenneberg, Kirchner, 2007: 198).

2.2. SCORPION I - 2000

In der Zwischenzeit wurde ein neuer Bein- und Körperaufbau entwickelt, wodurch ein erster Prototyp, der SCORPION I, gebaut werden konnte. Dieser wog 9,5 kg und verwendete 18mm-Motoren mit jeweils 2 Nm maximalem Drehmoment. Um einen Outdoor-Einsatz zu ermöglichen, wurden die Beine mit speziellen Dichtringen geschützt. So konnte der SCORPION I auch unter Wasser genutzt werden. Als Mantelmaterial für die Beine verwendete man nun Aluminium.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2. SCORPION I (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Die neuen Motor-Getriebe-Kombinationen erzeugten genug Kraft, um den Körper zu tragen, allerdings war das Kegelradgetriebe im distalen Segment bereits nach etwa 12 Betriebsstunden abgenutzt, da die Produktionsgenauigkeit der Kegelradgetriebe zu gering war. Um dieses Problem auf einfache Art und Weise zu lösen, wurde das distale Segment in eine senkrechte Position zum Boden gebracht, sodass der gesamte Körper eine M-Form bildete. Lediglich die oberen beiden Gelenke wurden für weitere Versuche genutzt. So konnte der Roboter bis zu 10 cm/s laufen und Steigungen von bis zu 10° überwinden. Auch Hindernisse mit einer Höhe von bis zu 5 cm konnten überwunden werden.

Aus den Versuchen ergab sich weiterhin, dass die basalen Gelenke meistens bis an ihre Grenzen belastet wurden. Zudem standen aufgrund der Form des Körpers die gegenüberliegenden Beine zu weit auseinander. Dadurch entstand ein Hebelarm, der große Kräfte auf die basalen Gelenke ausübte, nur um den Körper über dem Boden zu halten. Um dies zu ändern, musste das nächste System schmaler ausgeführt werden (vgl. Spenneberg, Kirchner, 2007: 199 f).

2.3. SCORPION II - 2000

Die während der Erprobung des SCORPION I beobachteten Probleme konnten mit dem SCORPION II im Winter 2000 gelöst werden.

Eine besondere Herausforderung beim Aufbau der Bein-Module war es, einen Outdoor- fähigen Laufroboter mit geschützten Aktoren zu entwickeln und gleichzeitig ein gutes Verhältnis zwischen dem Gewicht der Beine und der Hebeleistung zu erzielen. Mit dem SCORPION II konnte ein Verhältnis von 1:8 erzielt werden. Dies wurde durch Planetengetriebe mit hohem Übersetzungsverhältnis und einem neuen, leistungsstarken Gleichstrommotor mit 3,5 Nm maximalem Drehmoment sichergestellt. Das erhöhte Verhältnis war erforderlich, da der Roboter nun Hindernisse überwinden sollte, die seine eigene Körpergröße übertrafen. Außerdem sollte die Beingeschwindigkeit erhöht werden, damit der Roboter schnell genug auf Störungen aus der Umgebung reagieren kann. Jedoch brachte eine Erhöhung des Übersetzungsverhältnisses, das die gewünschten Drehmomente ermöglichte, eine Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit des Moduls mit sich. Letztendlich konnten jedoch sowohl das Drehmoment als auch die Geschwindigkeit der Aktoren erhöht werden, indem ein neuer 22mm-Motor eingesetzt wurde.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3. SCORPION II (Spenneberg, Kirchner, 2007)

Eine weitere Optimierung zur Erhöhung der Robustheit bestand darin, das Kabelbündel hauptsächlich im Inneren der Beine entlang zu führen anstatt außen. Dadurch wurde das Risiko gesenkt, dass sich der Roboter mit den Beinen verfangen kann. Des Weiteren wurde ein schmaler Aluminium-Körper entwickelt, der für maximale Stabilität und eine einfache Wartung sorgen sollte. Dank der NiCD-Batterien mit 28,8 V und 1,8 Ah konnte der SCORPION II nun 30 Minuten bei voller Geschwindigkeit von 20 cm/s arbeiten. Er konnte Steigungen von 15° und Hindernisse bis 20 cm überwinden.

Das System wurde im vorderen Teil mit einem Ultraschallsensor und einem Kamerasystem ausgestattet. Auch in einem optionalen Stachel am hinteren Teil des Roboters wurde ein Kamerasystem eingebaut. Um den Roboter zu steuern, wurde er mit einer bidirektionalen DECT-Funkverbindung versehen. Neben der Steuerung der Grundbewegungen mit zentralen Mustergeneratoren und der Steuerung von Haltung und Reflexen enthielt die Software dieses Systems erste komplexere Verhaltensmuster, wie z. B. autonome Hindernisvermeidung und ein auf integrierten Inklinometern basierendes Gleichgewichts- verhalten. Inklinometer sind Neigungsmesser, mit denen Abweichungen von der Horizontalen oder Vertikalen festgestellt werden können.

Für Vergleichsversuche wurde ebenfalls ein auf dem achtbeinigen Aufbau basierender kürzerer sechsbeiniger Roboter gebaut. Aufgrund seiner geringeren Größe und dem damit reduzierten Gewicht war dieser Roboter in der Ebene schneller, aber verglichen mit dem achtbeinigen Roboter wegen sinkender statischer Stabilität auf steilem Untergrund langsamer.

Mit dem SCORPION II konnten erstmals realistische Outdoor-Versuche durchgeführt werden. Die daraus resultierenden Erkenntnisse flossen in die nächsten Entwicklungsschritte ein. SCORPION II war bereits ein robustes System, aber einige der Outdoor-Versuche ergaben, dass der starre Körper Einschränkungen bezüglich der Bewegungsflexibilität aufwies, beispielsweise beim Erklimmen von steilen Treppen. Außerdem fehlten dem System gute Sensoren für die Erkennung des Bodenkontaktes, was zu einer suboptimalen Beinbewegung auf unebenem Grund führte. In dieser Entwicklungsstufe konnte nur das zeitliche Verhalten des Stromes im basalen Gelenk beobachtet werden, um zu beurteilen, ob der Boden berührt wird. Des Weiteren besaß der SCORPION II noch keine Federung, wodurch äußere Kräfte auf ihn einwirken konnten, die teilweise höher waren als die für die Getriebe angegebenen Höchstkräfte. Hierdurch wurde die Lebenszeit der Beine reduziert.

2.4. SCORPION III - 2001

Um die bei der Erprobung des SCORPION II festgestellten Probleme zu beheben, wurde der SCORPION III entwickelt, der im Herbst 2001 fertig gestellt wurde.

Dieser neue Roboter hatte erstmals keinen starren Körper mehr, sondern bestand aus drei Körpersegmenten, die durch Gummipuffer verbunden waren (s. Abb. 4). Durch diesen Aufbau konnte sich das System automatisch an die Umgebung anpassen. Dadurch konnte das System in Hinsicht auf die Stoßdämpfung und die Bodenanpassbarkeit optimiert werden. Jedoch war es von Nachteil für die Steuerung, da nun die Körperverformung berücksichtigt werden musste und zu diesem Zweck Sensoren hätten angebracht werden müssen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4. Der flexible SCORPION III (Spenneberg, Kirchner, 2007)

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Details

Seiten
29
Jahr
2010
ISBN (eBook)
9783640628889
ISBN (Buch)
9783640629039
Dateigröße
890 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v151264
Institution / Hochschule
Universität Hildesheim (Stiftung) – Institut für Physik und Technik
Note
2,0
Schlagworte
Laufroboter Scorpion Biomimetik biologisch inspiriert Weltraum Katastrophenschutz Roboter

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Titel: SCORPION: Ein biologisch inspirierter Laufroboter für schwer zugängliches Terrain