ROCR: Leichtgewichtiger, energieeffizienter Roboter klettert wie ein Gibbon an Wänden

Mit einem Paar hakenförmiger Krallen, einem motorgeführten Schwanz, der wie das Pendel einer Standuhr schwingt, und einem leichten Rahmen erklimmt der ROCR („Rocker“)-Roboter eine 2,4 m hohe Teppichwand in knapp über 15 Sekunden. Der erste Roboter, der effizient klettert und dabei die Bewegung menschlicher Kletterer und baumbewohnender Affen nachahmt, bietet eine vielversprechende Plattform für Inspektions-, Wartungs- und Überwachungsaufgaben.

„Während ROCRs endgültige Anwendungen in Inspektion, Wartung und Überwachung liegen, ist sein größter unmittelbarer Einfluss der als Lehrmittel und überzeugende Demonstration von Robotik“, sagt William Provancher, Assistant Professor of Mechanical Engineering an der University of Utah und leitender Entwickler des Projekts.

Die Ergebnisse des Teams erscheinen diesen Monat online in Transactions on Mechatronics, einem gemeinsamen Journal von IEEE und ASME. Der Paper mit dem Titel „ROCR Oscillating Climbing Robot“ etabliert den ersten Benchmark für Kletterroboter-Effizienz und liefert einen Referenzpunkt für zukünftige Designs.

Warum Effizienz wichtig ist

Die meisten Kletterroboter priorisieren bislang Stabilität vor Effizienz, um nicht zu fallen, während sie nach Geschwindigkeit oder Haftung streben. ROCR hingegen ist der erste, der sich auf Energieeffizienz fokussiert und eine Klettereffizienz von 20 % erreicht – ein beachtlicher Wert im Vergleich zu den rund 25 % Wirkungsgrad eines Auto-Ottomotors.

Effizienz ist hier definiert als Verhältnis der mechanischen Arbeit beim Aufstieg zur aus der Batterie entnommenen elektrischen Energie. Durch Optimierung von Timing und Amplitude des Schwanzschwingens balanciert ROCR Stromverbrauch und Klettergeschwindigkeit.

Design-Highlights

• Abmessungen: 31 cm breit × 46 cm lang (oben bis unten)
• Gewicht: 0,54 kg
• Krallenabstand: 12,4 cm
• Schwanzschwingamplitude: 120° (60° zu jeder Seite der Vertikalen)
• Optimale Schwingfrequenz: 1,125 Hz (1,125 mal pro Sekunde)
• Klettergeschwindigkeit: 15,7 cm/s auf teppichbezogenem Sperrholz

Der Roboter-Schwanz wird von einem kleinen Motor angetrieben, der ein Getriebe bewegt und den Schwanz oszillieren lässt. Eine am Schwanzende montierte Batterie liefert die notwendige Masse für die pendelartige Bewegung. Die zwei Stahlhakenkrallen greifen die Wand abwechselnd und verlagern den Schwerpunkt, um die freie Kralle für den nächsten Griff anzuheben.

Tests und Ergebnisse

Vor dem Prototypenbau nutzte das Team Computersimulationen, um die energieeffizientesten Kletterstrategien zu identifizieren. Experimentelle Versuche validierten diese Erkenntnisse: Der Roboter performte optimal, wenn er nahe seiner natürlichen Resonanzfrequenz operierte – ähnlich wie das Pendel einer Standuhr am effizientesten bei seiner inhärenten Frequenz schwingt.

Bei zu schnellem Schwingen (zweimal pro Sekunde) verlor der Roboter den Wandkontakt und wurde von einem Sicherheitsseil aufgefangen. Bei der optimalen 1,125 Hz erreichte ROCR 20 % Effizienz und stieg stetig ohne Absturz.

Zukünftige Entwicklungen

Provancher und Mitarbeiter planen, ROCRs Design durch anspruchsvollere Greifmechanismen für breitere Oberflächen – einschließlich Ziegel, Sandstein und andere Industriematerialien – zu erweitern. Zudem zielen sie auf fortschrittlichere Steuerungsalgorithmen ab, die Effizienz und Aufgabenvielfalt weiter verbessern.

Durch verlängerte Batterielaufzeit dank höherer Effizienz könnte ROCR längere Missionen in autonomen, selbstständigen Operationen unternehmen – was den Nutzen für reale Inspektions-, Wartungs- und Überwachungsaufgaben erweitert.

ROCRs Entwicklung wurde von der National Science Foundation und der University of Utah gefördert. Das Forschungsteam umfasst Mark Fehlberg, PhD-Kandidat im Maschinenbau, und Samuel Jensen-Segal, ehemaligen Utah-Masterstudenten, jetzt Ingenieur in New Hampshire.

Der ROCR Oscillating Climbing Robot, entwickelt von William Provancher und Kollegen an der University of Utah, demonstriert effizientes Wandklettern mit zwei hakenförmigen Krallen, einem Motor und einem pendelartigen Schwanz. Mit nur 0,54 kg Gewicht und 31 cm × 46 cm Abmessungen bietet ROCR Potenzial für Überwachung, Inspektion, Wartung, Ingenieurausbildung und als spannendes Spielzeug.