Ratten-inspirierter Roboter verspricht agile Inspektionsfähigkeiten

Biomimetik für schmale Räume

Beinige Roboter sind vielversprechend für reale Anwendungen, aber ihr Betrieb in engen Räumen bleibt herausfordernd. Eine Lösung zur Erhöhung der Umweltanpassungsfähigkeit: Design eines kleinformatigen biomimetischen Roboters, fähig zu multiplen Bewegungen und Traglast. Ratten, die in Höhlen leben, zogen große Aufmerksamkeit aufgrund ihrer unübertroffenen Agilität und Anpassungsfähigkeit auf sich. Viele Bemühungen wurden unternommen, Morphologie oder Bewegungscharakteristika von Ratten zu imitieren.

Kürzlich entwickelte ein Team unter Prof. Qing Shi vom Beijing Institute of Technology, China, einen neuartigen Roboter-Ratten namens SQuRo (small-size quadruped robotic rat).

Entwicklung: Von Rädern zu Beinen

Prof. Shis Team entwickelte Roboter, die Rattenbewegungen oder -verhalten reproduzieren. Durch bio-inspiriertes Design entwickelten sie einen radbasierten Roboter-Ratten für multiple rattenähnliche Verhaltensweisen. Kürzlich ersetzten sie Räder durch Beine, um die Bewegungsagilität weiter zu steigern. In dieser Studie, veröffentlicht in IEEE Transactions on Robotics, zeigten experimentelle Ergebnisse, dass der beinige Roboter SQuRo fähig ist, die Bewegung echter Ratten in engen Räumen zu imitieren.

Morphologie und Bewegung

Ratten passen sich engen Räumen durch ihren langgestreckten, schlanken Körper und unübertroffene Agilität an. Um die Bewegungsagilität zu kopieren, nutzte das Team die Morphologie und Bewegungscharakteristika von Ratten in Höhlen voll aus. Zuerst extrahierten sie die Key Movement Joints (KMJs) von Ratten und vollendeten die DOF-Konfiguration (Degrees of Freedom). Speziell: 2 DOFs pro Gliedmaße für Gliedmaßenbewegung, 2 DOFs in der Taille und 2 DOFs im Kopf für flexible Wirbelsäulenbewegung. Durch den langen, flexiblen Rücken kann SQuRo seinen Körper biegen und schnell wenden.

Neben der Morphologie-Kopie verfügt ein Roboter-Ratte auch über die Lokomotionseigenschaften von Ratten. Dazu schlug das Team einen hierarchischen Open-Loop-Controller vor, um multimodale Bewegung ähnlich der von Ratten zu erreichen. Das Kontrollframework besteht hauptsächlich aus drei Ebenen: 1) Multi-Motion-Planner mit vier Basis-Bewegungsmodi und direkter Beziehung zwischen Steuerungsvariable und Bodenreaktionskräften (GRFs); 2) Parameteroptimierung mit Berücksichtigung von Stabilität und Aktuierungslimits; 3) Trajektoriengenerierung jedes Gelenks. Das Framework ermöglicht agile Bewegungen und schnelle Übergänge.

Demonstrierte Fähigkeiten

Dank biomimetischer flexibler Struktur und multimodalem Motion Control kann SQuRo diverse Bewegungen ausführen: Hocken-zum-Stehen, Gehen, Krabbeln, Wenden und kann nach Stürzen durch Steuerung von Gliedmaßen und Halswirbeln seinen Schwerpunkt (CoM) angemessen anpassen, um sich zu erholen. Feldtests zeigten: SQuRo passierte erfolgreich einen unregelmäßigen engen Durchgang (Innenbreite 90 mm), überquerte ein 30 mm hohes Hindernis und erreichte stabile Lokomotion auf 15° Steigung – was sein Potenzial für Inspektionsaufgaben in engen Räumen demonstriert.

Verglichen mit State-of-the-Art-Vierbeinern ähnlicher Skala hat das neu entwickelte SQuRo einen relativ langgestreckteren, schlankeren Körper und geringeres Gewicht. Der minimale Wenderadius von 0,48 Körperlängen ist weit kleiner als bei anderen Robotern. Zudem erreicht SQuRo stabile Lokomotion selbst bei Traglast von 91 % des Eigengewichts – was überlegene Tragfähigkeit im Vergleich zu kleinformatigen Vierbeinern demonstriert. Diese Fähigkeiten erlauben SQuRo, agil durch enge Räume und raues Terrain zu navigieren und Aufgaben wie Detektion oder Transport in relevanten Szenarien auszuführen.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Ruoxi Tian, IEEE Transactions on Robotics (E-Mail geschützt, JS nötig).