- Hopcopter ist ein einbeiniger Sprungroboter, der für schwieriges Terrain konzipiert wurde.
- Die neue Fußsohle verbessert die Fähigkeit des Roboters, Hindernisse zu überwinden, und spart Energie.
- Das Fußsohlendesign reduziert Startfehler, erhöht die Effizienz und passt sich verschiedenen Terrains an.
- Das Forschungsteam plant die Entwicklung eines autonomen Navigationssystems, um die praktischen Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
Ingenieure der University of Toronto haben eine flexible Fußsohle für einen einbeinigen Sprungroboter entwickelt, die es ihm ermöglicht, sich auf Sand, Eis und anderen schwierigen Terrain zu bewegen. Der Roboter mit dem Namen Hopcopter ist im Wesentlichen eine Quadrokopter-Drohne, die auf einem großen Federfuß montiert ist. Das Forschungsteam hat das Ziel, ihn für Such- und Rettungsaktionen, die Inspektion abgelegener Infrastrukturen und sogar für interplanetare Erkundungen einzusetzen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Advanced Intelligent Systems“ veröffentlicht, wobei Professor Pakpong Chirarattananon vom Fachbereich Maschinenbau und Industrieingenieurwesen als Hauptautor fungierte.
Chirarattananon erklärte, dass die Drohne kostengünstig ist, über verschiedene Terrains fliegen kann und in der Fotografie und Videografie hervorragende Leistungen zeigt. Allerdings ist die Tragfähigkeit der Drohne aufgrund der Notwendigkeit, leicht zu sein, begrenzt, und ihre Reichweite wird durch den mitgeführten Treibstoff eingeschränkt. Im Vergleich dazu können rad- und beinbetriebene Roboter mehr Lasten transportieren und weiter fahren, sind jedoch relativ teuer und möglicherweise nicht für unebenes Terrain geeignet. Er sieht Raum für neue Robotertypen zwischen diesen beiden Ansätzen. Sein Labor, das „CLIMB - Center for Legged Robotics, Intelligent Mechanisms, and Bioinspired Robotics“ heißt, orientiert sich an Designs aus der Natur, um Reichweite, Effizienz, Kosten und Tragfähigkeit auszubalancieren.
Das Design von Hopcopter wurde von Vögeln inspiriert, die nicht kontinuierlich in der Luft fliegen, sondern zwischen verschiedenen Positionen gleiten, lange Pausen einlegen und manchmal auf dem Boden hüpfen. Der Doktorand Song Li von der City University of Hong Kong spielte eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Roboters während eines akademischen Austauschs in Toronto. Die langen Beine von Hopcopter heben seinen Schwerpunkt über den Boden, während die vorgespannten Gummibänder die Schwerkraft und andere Kräfte ausgleichen. Der Hauptautor, der Doktorand im Maschinenbau und Industrieingenieurwesen, Jeeraphat (Owen) Kledkruemas, bemerkte, dass dies den Roboter im Vergleich zu anderen Sprungrobotern leichter modellierbar und steuerbar macht.
Die Sprungfunktion ermöglicht es dem Roboter, Hindernisse zu überwinden, die die meisten rad- oder beinbetriebenen Roboter nicht passieren können, während gleichzeitig Energie gespart wird und mehr Gewicht als bei Standarddrohnen transportiert werden kann.
Herausforderungen und Lösungen beim Fußsohlendesign
Der ursprüngliche Hopcopter zeigte auf ebenem Beton oder feinem Sand gute Leistungen, hatte jedoch auf anderen Untergründen Schwierigkeiten. Wenn er in einem steilen Winkel landet oder auf rutschigem Untergrund wie Eis landet, kann der Fuß des Roboters rutschen und das Gleichgewicht verlieren. Auf Sand oder anderen weichen Oberflächen kann der Fuß einsinken und stecken bleiben. Die von Kledkruemas entwickelte Fußsohle verteilt das Gewicht des Roboters auf eine größere Fläche, ähnlich wie Schneeschuhe, die verhindern, dass der Träger im Schnee einsinkt. Kugelgelenke ermöglichen es der Fußsohle, sich an die Neigung des Untergrunds anzupassen, während die Gummibänder nach jedem Sprung automatisch ihre Position wiederherstellen.
Die Unterseite der Fußsohle ist mit kurzen Stacheln bedeckt, die die Griffigkeit erhöhen, ähnlich wie die Steigeisen, die von Eiskletterern verwendet werden.
Zukünftige Anwendungen und Herausforderungen
Laut den Forschern hat das neu gestaltete Fußsohlendesign die Startfehler um bis zu 66 % reduziert und die Effizienz um bis zu 64 % erhöht. Darüber hinaus hat die Fußsohle die Leistungsvariationen auf unterschiedlichen Terrains um 84 % verringert, sodass Hopcopter auf schwierigen Untergründen nahezu die gleiche Leistung wie auf glatten Oberflächen erbringt. Kledkruemas stellte fest, dass diese Verbesserungen das Springen auf Eis und Sand möglich machen.
Das Team plant, ein autonomes Navigationssystem für Hopcopter zu entwickeln und größere Herausforderungen anzugehen. Chirarattananon erklärte, dass diese Verbesserung es ihnen ermöglicht, „diesen Roboter aus dem Labor in die reale Welt zu bringen“. Er stellt sich vor, dass er für Such- und Rettungsaktionen nach Naturkatastrophen oder zur Inspektion abgelegener Infrastrukturen wie Pipelines und Minen eingesetzt werden kann. Das Team träumt auch davon, Erkundungen auf Planeten wie dem Mars durchzuführen, da die Atmosphäre dort für die meisten Drohnentypen zu dünn ist.
Anwendungspotenzial neuer Robotiktechnologien
Das Design von Hopcopter überwindet die Einschränkungen traditioneller Drohnen und Roboter, insbesondere bei der Bewältigung komplexer Terrains. Das innovative Fußsohlendesign verbessert nicht nur die Stabilität des Roboters, sondern erweitert auch seine Anwendungsbereiche, von Such- und Rettungsaktionen bis hin zur Inspektion abgelegener Infrastrukturen und sogar zur Erkundung von Planeten. Die Entwicklung dieser Technologie könnte die Art und Weise verändern, wie Roboter in verschiedenen Umgebungen operieren, insbesondere bei Rettungsaktionen nach Naturkatastrophen, indem sie effektivere Lösungen bieten.