Roboter Gepardenroboter mit Energierückgewinnung

Ein am MIT entwickelter Roboter soll einen Gepard nachahmen. Durch seinen Antrieb ist er besonders energieeffizient. Bald könnte er der schnellste Laufroboter sein.

Und noch ein Katzenroboter: Nach Boston Dynamics und der Universität in Osaka arbeiten auch Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) an einem Laufroboter, der einem Gepard nachempfunden ist. Der MIT-Robotergepard ist nicht nur eleganter als die beide Konkurrenten - er soll, was die Energieeffizienz beim Laufen angeht, sogar das natürliche Vorbild übertreffen.

Der Roboter hat in etwa die Größe eines Gepards und mit seinen rund 30 Kilogramm auch dessen Gewicht. Angetrieben wird er von Elektromotoren. Die können so programmiert werden, dass sie die Steifigkeit und die Dämpfung der Beine an den Untergrund anpassen.

Pneumatik und Verbrennung

Dieser Abtrieb ist eher ungewöhnlich für einen Laufroboter. Der Alpha Dog von Boston Dynamics etwa wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Die anderen robotischen Raubkatzen nutzen Pneumatik.

Grund sei die Effizienz: "Um einen Roboter loszuschicken, damit er Menschen findet oder Aufgaben in Notsituationen übernehmen kann, etwa im Katastrophengebiet von Fukushima, soll er möglichst autonom sein", erklärt Projektleiter Sangbae Kim. "Es wäre nützlich, wenn er mehr als zwei Stunden unterwegs sein und ein großes Gelände erkunden könnte. Einer der Gründe dafür, dass manche das für unmöglich halten, ist, dass die Effizienz bisher ziemlich schlecht war."

Drei Verlustfaktoren

Die Forscher um Kim haben es jedoch geschafft, die Effizienz des Antriebs deutlich zu verbessern. Dazu haben sie zunächst untersucht, wo Energie verloren geht, und drei wichtige Faktoren ausgemacht: Da sei die Wärme, die der Motor abstrahle, Energie gehe durch mechanische Übertragung verloren, etwa in Form von Reibung, und schließlich gebe es einen Energieverlust durch falsche Steuerung, etwa durch eine schwerfällige Gangart.

Auf der Basis dieser Erkenntnisse haben die MIT-Wissenschaftler dann ihren Roboter gebaut. Ein Kernelement ist ein von ihnen entwickelter Motor, der relativ zu seinem Gewicht ein sehr hohes Drehmoment produziert und dabei wenig Wärme abgibt. Wegen des guten Drehmoments brauchen die Beine weniger Komponenten, was wiederum die Effizienz verbessert.

Rückgewinnung beim Auftreten

Auch für das Auftreten haben sie eine Lösung gefunden. Das Auftreten ist ein Problem für die Mechanik. Setzt ein Roboter seinen Fuß hart auf, entstehen Vibrationen, die die Mechanik belasten und zu Instabilität können. Normalerweise werden Dämpfer eingesetzt, um das Auftreten abzufedern, was aber Energie absorbiert. Die von Kim und seine Kollegen entwickelten Motoren hingegen sind in der Lage, die Energie bei Auftreten aufzunehmen und zu verwerten.

"Die meiste Auftreffenergie geht in den Akku, weil die Dämpfung durch eine selbst-entwickelte elektrische Steuerung des Motors erzielt wird", erklärt Kim. Der Motor gewinne die Energie zurück, die sonst verloren ginge.

Gewichtsverlagerung

Eine weitere Effizienzsteigerung gelang den Forschern durch die Gewichtsverteilung an den Beinen: So befinden sich 85 Prozent des Gewichts des Beins am Hüftgelenk, wo auch der Motor angebracht. Dadurch wird die Trägheit verringert. Verstärkt wird dieser Effekt durch Kevlar-Bänder, die an den Beinen befestigt sind und die Funktion von Sehnen übernehmen.

Für einen Test setzen die Forscher ihren Robotergepard auf ein Laufband. Er lief anderthalb Stunden lang bei einer Geschwindigkeit von 8 Kilometern pro Stunde. Seine Effizienz übertreffe die des Alpha Dog und die von Hondas Asimo, sagen die MIT-Forscher. Derzeit rüsten sie den Roboter mit neuen Motoren aus, mit denen er über 50 Kilometer pro Stunde schnell laufen soll. Das ist zwar nur halb so schnell wie das natürliche Vorbild, aber schneller als der Geschwindigkeitsrekord für Laufroboter, den der Robotergepard von Boston Dynamics im vergangenen Jahr ausgestellt hat.

Die MIT-Forscher wollen ihren Roboter auf der International Conference on Robotics and Automation (Icra) vorstellen. Sie findet vom 6. bis zum 10. Mai in Karlsruhe statt.