Die Größe entscheidet

Miniaturisierte unbemannte Robotersysteme leisten mit Hilfe von kompakten und drehmomentstarken Servomotoren auch unter den schwierigsten Umgebungs­bedingungen zuverlässige Erkundungsarbeit.

Selbst der ausgeklügelste Roboter dürfte wohl kaum effektivere Arbeit leisten als ein Mensch, wenn es gilt, Katastrophenopfer aus einem Schutthaufen zu bergen. Ein UGV (Unmanned Ground Ve­­­hicle) wie der Recon Scout IR von Recon ­Robotics Inc. (Edina, US-Bundesstaat Minnesota) kann aber im Gegensatz zu einem Menschen ohne Gefährdung ein eingestürztes Gebäude erkunden und von dort Echtzeitbilder senden, die für die Einsatzkräfte eine wichtige Entscheidungshilfe für taktische Reaktionen sein können. Der Scout, der für jedermann wie eine kleine Hantel aussieht, kann unwegsames Gelände emporklettern oder nach Anweisung einen vorgegebenen Pfad entlang navigieren und dabei einen stetigen Strom von Bildern übermitteln, und all das im nicht kabelgebundenen Betrieb. Mit seinen technisch ausgereiften Entwicklungen, robusten Materialien und kompakten, drehmomentstarken Servomotoren von FAULHABER, die beim Bau dieses Systems zur Anwendung kommen, hat sich ReconRobotics als einer der wichtigsten Akteure auf dem Markt für Such- und Rettungsroboter positioniert.    

Klein aber stark

Das UGV mag klein erscheinen, doch seine Entwicklung war alles andere als eine Kleinigkeit. Das Entwicklerteam wurde an allen Ecken und Enden mit widersprüchlichen Leistungsanforderungen konfrontiert: Das System sollte leistungsstark, aber klein sein, und es sollte ein hohes Drehmoment entwickeln, aber mit einer einzigen Akkuladung eine lange Betriebszeit haben. So mussten Kompromisse geschlossen, Komponenten optimiert und Prioritäten bei den Spezifikationen gesetzt werden. Dennoch kann der dabei entstandene Roboter fast alle seine Aufgaben gut bewältigen.
Die wichtigste Anforderung war ausreichende Antriebskraft - schließlich nützt ein UGV für Such- und Rettungseinsätze nicht viel, wenn es das Zielgebiet nicht erreicht. Zur Fortbewegung über Geröll oder in unebenem Gelände wird ein beträchtliches Maß an Drehmoment benötigt. Normalerweise würde jeder Ingenieur einfach einen Motor wählen, der groß genug ist, um für den benötig-ten Vortrieb zu sorgen, doch die kompakte Bauform des Scout setzte dieser Möglichkeit enge Grenzen. Der zweite naheliegende Ansatz, nämlich die Verwendung eines zusätzlichen Getriebes mit hohem Untersetzungsverhältnis zur Umwandlung von Motordrehzahl in Drehmoment, war auch keine Option: Einerseits wäre der Antrieb im verfügbaren Raum nicht mehr unterzubringen gewesen, und andererseits hätte eine Drehmomenterhöhung mit einer Verringerung der Geschwindigkeit erkauft werden müssen, was in einem Such- und Rettungsroboter nicht akzeptabel ist.
Was für dieses Projekt benötigt wurde, waren Motoren mit hoher Leistungsdichte und dem Durchmesser einer Zigarette. Die Antwort gab die FAULHABER-Schwester MICROMO aus den USA mit 8- und 10-mm-Gleichstrommotoren. "FAULHABER hatte die beste verfügbare Lösung in dem von uns gesuchten Größenbereich", berichtet Patrick McKinney, leitender Geschäftsführer von ReconRobotics. Die Motoren wurden eigentlich in medizinischen Anwendungen eingesetzt, was aber den zusätzlichen Vorteil einer betriebssicheren Lösung mit sich brachte. "Diese Motoren müssen in Betriebsumgebungen arbeiten, in denen von ihrem Funktionieren Menschenleben abhängen können", so McKinney weiter. "Wir haben diese Motoren im Dauerbetrieb für gut 168 Stunden bei 50 % Last getestet. Ihre Leistungen sind wirklich beeindruckend." Ein zusätzliches Planetengetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 64:1 erhöht das Drehmoment noch weiter, und das bei nur mäßig erhöhten Abmessungen.
Der UGV-Querträger enthält eine infrarot-empfindliche Kamera, eine IR-Beleuchtung, ferner die Motoren und Antriebseinheiten, einen Controller sowie den Transceiver für die Funkübertragung aller Daten. Die beiden Räder des Recon Scout werden unabhängig voneinander angetrieben, wofür ein Steuerungssystem mit geschlossenem Regelkreis die entsprechend aufbereiteten Steuersignale liefert. Ein Kreisel erfasst das Feedback-Signal für die z-Achse (Gierachse) und sorgt dafür, dass die Räder gleichmäßig angetrieben werden und sich der Scout auf einer geraden Linie bewegen kann. Damit das UGV den gewünschten Pfad entlang gesteuert werden kann, überwacht ein Beschleunigungsmesser die Bewegung in Richtung der x- und z-Achsen. Ein gewichtsbelasteter Stabilisierungsschwanz hält die Drehposition des Querträgers stabil, so dass die Kameraöffnung korrekt für die Bildaufnahme ausgerichtet bleibt.

Die für höhere Belastungen ausgelegte Such- und Rettungsversion des Scout kann mit Hilfe seiner mit Spikes bestückten Räder auch Hinde­rnisse überwinden

Harter Stoff

Fahrten zum Einsatzort gehören der Vergangenheit an - der Recon Scout IR ist so konstruiert, dass er direkt an den Erkundungsort geworfen werden kann. Dementsprechend musste ihn das Entwicklerteam von ReconRobotics so dimensionieren, dass er einen Aufprall auf Beton aus 10 m Höhe schadlos übersteht. Dafür wählte man ein Gehäuse aus Luftfahrtaluminium, das zugleich die Wärmeabfuhr unterstützt. Ein Titangehäuse im Querträger schützt die internen Komponenten. Die Räder bestehen aus einem proprietären Polyethylen und wirken außerdem als Aufpralldämpfer.
Wenn das Gerät nach einem Wurf im Zielgebiet aufschlägt, wirken auf die Räder Kräfte, die so groß sind, dass dabei die Zahnradzähne abbrechen können. Um diese Gefahr zu mindern, entwickelte das Team eine patentierte mechanische Kupplung, die beim Aufprall die Zahnräder auskuppelt und nach Landung des Scout wieder in Eingriff bringt. Bei Dauerbetrieb von Kamera, Beleuchtung und Radantrieben hat der Scout pro Akkuladung eine Betriebszeit von einer Stunde, was nicht zuletzt auf den hohen Wirkungsgrad der FAULHABER-Motoren zurückzuführen ist.
Die Originalversion des Scout war ein Überwachungsroboter, der für militärische Anwendungen sowie für Spezialeinsatzkräfte in einem relativ sauberen urbanen Umfeld konzipiert war. Als die ReconRobotics-Gruppe mit der Entwicklung der Such- und Rettungsversion begann, wurden die Entwickler mit neuen Anforderungen konfrontiert – mit einem Einsatz inmitten von Schutt, Schmutz und Hitze. Vom Kunden wurde spezifiziert, dass der 10 cm große Scout in der Lage sein sollte, 5 cm hohe Objekte ohne Hilfestellung zu überwinden. Diese Spezifikation zu erfüllen, war eine echte Herausforderung für eine so kleine Maschine, zumal sich an den übrigen strengen Anforderungen nichts änderte. Gelöst wurde das Problem durch den Einsatz eines leistungsfähigeren Motors mit 10 mm Durchmesser, geringfügige Verbreiterung der Räder und den Einbau furchteinflößender Spikes von 2,5 cm Länge, um die Traktion zu verbessern.

Der Recon Scout IR kann auf einen Schauplatz geworfen werden, wo er pro Akkuladung mindestens eine Stunde lang kabellos arbeiten, Bilder zurücksenden und auf Befehl navigieren kann.
Die Scout-Bedienereinheit, die wie ein Handfunkgerät aussieht, ist lediglich mit einem Joystick ausgerüstet und einhändig bedienbar