Pneumatische Aktuatoren geben Roboter-Gepard

Elektromotoren haben dazu beigetragen, Roboter mit Beinen in den Mainstream zu bringen. Sie bieten eine unkomplizierte und kompakte Möglichkeit zur Steuerung von Robotergliedern mit allen ausgefallenen Steuerungsfunktionen, die Sie für sichere und flinke Bewegungen benötigen. Was Sie aus Elektromotoren nicht herausholen können (jedenfalls mehr als einmal), ist die Art von Momentanleistung, die erforderlich ist, um die Leistung biologischer Muskeln zu erreichen. Aus diesem Grund verwendet Atlas, der derzeit wohl leistungsstärkste und dynamischste Roboter auf dem Markt, hydraulische Aktuatoren – um einen Roboter in Menschengröße einen Rückwärtssalto ausführen zu lassen, ist das so ziemlich die einzige Möglichkeit, die benötigte Leistung zu erhalten.

Inspiriert durch die Hochgeschwindigkeitsmanöver von Geparden haben Robotiker an der Universität von Kapstadt in Südafrika begonnen, mit dem altmodischen Geschwister hydraulischer Aktuatoren zu experimentieren – der Pneumatik. Durch die Verwendung von Gas als Arbeitsflüssigkeit anstelle einer Flüssigkeit können Sie ein hohes Kraft-Gewichts-Verhältnis in einem relativ einfachen und kostengünstigen Formfaktor mit eingebauter Nachgiebigkeit erzielen, die in der Hydraulik fehlt. Ist die Pneumatik einfach zu steuern? Nein! Aber um einen Roboter wie einen Geparden laufen zu lassen, ist möglicherweise nicht einmal eine komplizierte Steuerung erforderlich.

„Wir argumentieren, dass eine feine Kraftkontrolle für eine schnelle Manövrierfähigkeit möglicherweise nicht erforderlich ist.“ – Amir Patel, Universität Kapstadt, Südafrika

Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, was mit der Hydraulik nicht stimmt – denn Hydraulik ist kompliziert, teuer und jede Menge Chaos, wenn sie jemals explodiert, was manchmal der Fall ist. Und während die nicht konforme Natur der Hydraulik sie einfacher zu modellieren und zu steuern macht, macht sie sie im realen Einsatz auch weniger nachsichtig. Wenn man weit genug zurückgeht, bis in die 1980er Jahre, als Marc Raibert am MIT dynamische Roboter mit Beinen entwickelte, verließen sich diese Lauf- und Sprungroboter eher auf Pneumatik als auf Hydraulik, weil Pneumatik viel einfacher zu implementieren war.

Ein wichtiger Grund dafür, dass heutzutage anscheinend jeder Hydraulik statt Pneumatik verwendet, ist die Tatsache, dass Luft komprimierbar ist, was sich zwar positiv auf die eingebaute Nachgiebigkeit auswirkt, die meisten herkömmlichen Steuerungsmethoden jedoch durcheinander bringt. „Eine feine Kraftsteuerung ist bei diesem Aktuator schwierig und die meisten haben ihn vermieden“, erklärt Amir Patel, außerordentlicher Professor an der Universität Kapstadt. „Hydraulik ist nicht komprimierbar und kann erstaunliche Dinge leisten, ist aber um einiges teurer als Pneumatik. Und als wir uns Tiere ansahen, die eine explosive Bewegung ihrer Gliedmaßen benötigen, dachten wir, dass Pneumatik ein guter und oft übersehener Antrieb wäre.“

Patel hat eine enorme Menge an Forschung zur Biomechanik von Geparden betrieben. Über einiges davon haben wir bereits in der Vergangenheit geschrieben. (Hier erfahren Sie zum Beispiel, warum Geparden flauschige Schwänze haben.) Aber in letzter Zeit versucht Patel, Wege zu finden, die Dynamik von Geparden mit sehr hoher Wiedergabetreue zu verfolgen, um herauszufinden, wie sie sich so bewegen können, wie sie es tun. Das wäre einfach, wenn die Geparden kooperieren würden, aber so wie sich die Dinge anhören, ist der Versuch, sie dazu zu bringen, direkt über eine kleine Kraftplatte zu laufen oder das gewünschte Manöver auszuführen, während sie sich im idealen Blickfeld der von Ihnen aufgestellten Kameras befinden, irgendwie in Ordnung ein Albtraum. Ein Großteil dieser Arbeit ist noch im Gange, aber Patel hat bereits genug gelernt, um einen neuen Ansatz für die von Geparden inspirierte Fortbewegung vorzuschlagen. „Aus unseren Jahren, in denen wir Geparden hier in Südafrika studiert haben, scheint es, als ob sie nicht wirklich versuchen würden, ihre Kraft beim Beschleunigen aus dem Ruhezustand genau zu kontrollieren“, sagt Patel. „Sie stoßen einfach so stark ab, wie sie können – was uns glauben lässt, dass ein Ein/Aus-Aktuator [auch als Bang-Bang-Controller bekannt] wie die Pneumatik diese Aufgabe übernehmen könnte. Wir argumentieren, dass eine feine Kraftkontrolle für schnelle Manövrieraufgaben möglicherweise nicht erforderlich ist.“

„Wir konzentrieren uns auf die Übergangsphase der Fortbewegung – wie das schnelle Beschleunigen aus dem Stillstand oder das Stillstandstellen, wenn man sich in einem Hochgeschwindigkeitsgang befindet.“ – Amir Patel, Universität Kapstadt, Südafrika

Patel (zusammen mit seinen Kollegen Christopher Mailer, Stacey Shield und Reuben Govender) hat einen Roboter mit Beinen (oder zumindest einen halben Roboter mit Beinen) namens Kemba gebaut, um die Art der schnellen Beschleunigung und Manövrierfähigkeit zu erforschen, die Pneumatik bieten kann. Kembas Hüften verfügen über drehmomentstarke Quasi-Direktantriebs-Elektromotoren an den Hüften für eine präzisere Positionierung, wobei an den Knien pneumatische Kolben mit hoher Kraft angebracht sind. Während die Elektromotoren die präzise Steuerung bieten, die wir von Elektromotoren erwarten, werden die Kolben durch einfache (und billige) Binärventile gesteuert, die entweder ein- oder ausgeschaltet sein können. Die Forscher haben sich viel Mühe gegeben, die komplexe Dynamik pneumatischer Aktuatoren zu modellieren, denn schließlich braucht man ein gewisses Verständnis dafür, was die Pneumatik macht. Aber auch hier besteht das Konzept darin, die Pneumatik für eine explosive Betätigung zu nutzen und eine feinere Steuerung durch die Elektromotoren an den Hüften zu erreichen.

Kemba, der zweibeinige (und auslegerstabilisierte) Roboter, nutzt Elektromotoren für Präzision und Pneumatik für schnelle Bewegungen.Universität Kapstadt, Südafrika

Mit einem Ausleger zur Unterstützung ist der 7 Kilogramm schwere Kemba in der Lage, bei kontrollierter Landung immer wieder auf 0,5 Meter zu springen und erreicht eine maximale Sprunghöhe von 1 Meter. Auch wenn es verlockend ist, sich hier auf Kennzahlen wie Sprunghöhe und Höchstgeschwindigkeit zu konzentrieren, geht es bei der Forschung nicht unbedingt darum, erklärt Patel. „Bei Kemba (und allen Robotern und Tieren, die wir in meinem Labor untersuchen) konzentrieren wir uns auf die Übergangsphase der Fortbewegung – wie die schnelle Beschleunigung aus dem Stillstand oder das Stillstehen, wenn man sich in einem Hochgeschwindigkeitsgang befindet. Die meisten Papiere konzentrieren sich nicht wirklich auf diese Phase des Antrags. Ich würde es begrüßen, wenn mehr Labore ihre Ergebnisse in diesem Bereich veröffentlichen würden, damit wir einige Kennzahlen (und Daten) haben, mit denen wir vergleichen können.“

Patel möchte, dass Kemba letztendlich zu einer Plattform wird, die Biologen nutzen könnten, um die Biomechanik der Fortbewegung von Tieren zu verstehen, aber es wird wahrscheinlich auf absehbare Zeit angebunden bleiben, sagt Erstautor Chris Mailer. „Viele Leute haben gefragt, wann wir die andere Hälfte bauen werden oder ob es realistisch ist, dass Kemba einen Kompressor mit sich herumschleppt. Das wäre zwar großartig, aber das war nie die Absicht von Kemba. Das Hauptziel bestand darin, bioinspirierte Bewegungen auszuführen und daraus zu lernen, anstatt sich auf die Leistung oder Autonomie an Bord zu konzentrieren.“

Das bedeutet nicht, dass Kemba keine Upgrades erhalten wird. Ein Rückgrat könnte zusammen mit einem Schwanz in Arbeit sein, die beide zusätzliche Freiheitsgrade bieten und dynamischeres Verhalten ermöglichen würden. Es ist noch ein langer Weg, bis Roboter mit Beinen auch nur annähernd an die Fähigkeiten eines echten Geparden herankommen, aber der pneumatische Ansatz scheint durchaus vielversprechend zu sein. Und alles, was das Potenzial hat, die Kosten für Roboter mit Beinen zu senken, ist für mich in Ordnung, denn ich warte immer noch auf einen meiner eigenen.