Effizientes Prinzip Kletterroboter schwingt sich an Wänden hoch

Was haben ein Gibbon-Affe und eine alte Pendeluhr gemein? Sowohl Pendel als auch Affe sind Meister im Schwingen. Das Prinzip haben Roboter-Ingenieure nun abgekupfert. Ergebnis ist ein neuer Kletterroboter, der sich geschickt an Wänden hochschwingt - und dabei viel effizienter als seine Konkurrenz ist.

University of Utah / William Provancher

Anfangs ist es schwer zu glauben, doch irgendwann kommt das Aha-Erlebnis: Bis zu einem gewissen Schwierigkeitsgrad ist Klettern keine Frage von Kraft. Wer sich nur die Wand hochzieht, kommt nur schwer voran und ist obendrein noch ineffizient. Klettern, das lernt man möglichst gleich am Anfang, hat nämlich viel mit der Verlagerung des Körperschwerpunkts zu tun. Dieser sollte immer über das aktive Standbein, mit dem man sich hochdrückt, platziert werden. Wer diese Regel beherzigt, spart viel Kraft und Energie.

Genau dieses Prinzip haben Forscher von der University of Utah abgekupfert und in einem Roboter elektronisch umgesetzt. ROCR (ausgesprochen "Rocker"), so nennen William Provancher und seine Kollegen den Kletterkünstler aus Blech, schafft auf diese Weise rund 2,5 Meter in nur 15 Sekunden. Damit hält ROCR zwar nicht den Rekord im Speed-Klettern; es gibt einen Konkurrenten, der in etwa vier mal so schnell ist. Doch ROCR, über den die Ingenieure in Kürze im Fachmagazin "Transactions on Mechatronics" berichten werden, ist der Konkurrenz dennoch weit überlegen, denn er ist wesentlich effizienter als bisherige Roboter.

"Bisher haben sich Ingenieure von Kletterrobotern auf solche Dinge wie Geschwindigkeit und Haftung konzentriert", sagt Provancher. ROCR hingegen schneidet in Kletter-Tests besser ab, weil er einen Wirkungsgrad von 20 Prozent hat. "Was relativ beeindruckend ist, wenn man davon ausgeht, dass der Wirkungsgrad eines Automotors in etwa bei 25 Prozent liegt", so der Techniker.

Schwingendes Leichtgewicht

Nur etwas mehr als 500 Gramm schwer und knapp 31 Zentimeter lang ist der kleine Roboter. Doch die gute Effizienz erreicht er nur, weil er eine ausgeklügelte Klettertechnik nutzt, die sich die Forscher bei geübten Kletterern und bei Affen, die von Baum zu Baum schwingen abgeschaut haben. Beide sind in der Lage, ihren Körperschwerpunkt geschickt zu verlagern, und brauchen dadurch weniger Kraft.

Bevor sich die Ingenieure aber an die Schraub-Arbeit machten, simulierten sie die entsprechenden Bewegungen am Computer. Auf diese Weise berechneten sie, wie schnell und wie weit ein Roboter-Pendel ausschwingen müsste, um so effizient wie möglich eine Wand hochklettern zu können.

Der Rest der Ingenieursarbeit basierte auf Ergebnissen von Vorgänger-Modellen: Die meisten Kletterroboter sind größer und schwerer und haben zwei bis acht Beine. Dabei waren die Ingenieure vor allem an einer Frage interessiert: Wie bleibt der Roboter am besten an der Wand kleben? Saugnäpfe, Mikrostachel, Krallen und adhäsive Werkstoffe mit Gecko-Effekt - es gibt viele Varianten. Provancher und seine Kollegen entschieden sich für eine recht einfache Möglichkeit: Krallen.

Allerdings haben die Krallen einen kleinen Nachteil: ROCR kann nur tapezierte Wände hochkrabbeln oder jedenfalls nur solche, in die er seine Stahldornen bohren kann. Dafür schwingt er sich mit nur jeweils einem Greifer nach oben: ROCR trägt einen kleinen Metallschwanz an dessen Ende eine Batterie hängt. Damit wird wiederum der Motor angetrieben, der das Pendel zum Schwingen bringt. "Wie Großvaters alte Pendeluhr", sagt Provancher. Die mitschwingende Batterie liefert zugleich die nötige Masse, damit sich der Roboter nach oben arbeiten kann.

Pendelt der Schwanz in die andere Richtung, verlagert sich der Schwerpunkt der Art, dass ein Greifer frei und zugleich nach oben gedrückt wird. Ein kleiner Mikroprozessor und kleine Sensoren erledigen den Rest, so dass ROCR sich selbständig die Wand hinaufarbeitet.

Nach vielen Experimenten steht fest: ROCR arbeitet dann am effizientesten, wenn sein Schwanz um 120 Grad (60 Grad auf jeder Seite) hin- und herpendelt; und zwar 1,125 Mal in der Sekunde. Auch ein bestimmter Abstand der Krallen erhöhte die Effizienz: bei knapp 12,5 Zentimetern lag das Optimum. Sobald ROCR die Pendelgeschwindigkeit auf zwei Ausschläge in der Sekunde erhöhte, fiel der Roboter von der Wand.

Kletterroboter wie ROCR könnten in vielen Bereichen zur Anwendung kommen: Bei der Untersuchung von engen dunklen Kratern etwa, oder zur Inspektion der Außenwände von Hochhäusern oder Windkraftanlagen beispielsweise. "Je höher der Wirkungsgrad, desto länger ist die Batterielaufzeit", sagt Provancher. Und das sei für einen autonomen Kletterer und dessen Anwendungen besonders wichtig.

cib



insgesamt 2 Beiträge
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Marshmallowmann 06.08.2010
1. nur an speziellen wänden
Nur an speziellen Wänden in die er sich reinbohren kann... Ich denke da sollte durchaus mehr zu machen sein wenn man von solchen Grundbedingungen ausgeht.
kero-sin 08.08.2010
2. *Titelmelodie einspielen*
Es ist schon erstaunlich, dass man Klettern so vereinfachen kann: 1 Schwanz und 2 Krallen reichen aus um Wände hoch zu kommen. Respekt für die bisherige Arbeit, die bestimmt viel Schweiß und zeit kostete. Ich freue mich schon über die Weiterentwicklung, die garantiert stattfindet.
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