Selbst der ausgeklügelste Roboter dürfte kaum effektivere Arbeit leisten als ein Mensch, wenn es gilt, Kata­strophen-Opfer aus einem Schutthaufen zu bergen. Ein UGV (Unmanned Ground Vehicle) wie der Recon Scout IR von Recon-Robotics 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 bei taktischen Reaktionen sein können. Der Scout, der wie eine kleine Hantel aussieht, kann unwegsames Gelände überwinden oder nach Anweisung einen vorgegebenen Pfad entlang navigieren, dabei einen stetigen Strom von Bildern übermitteln und all das im nicht kabelgebundenen Betrieb.

Mit seinen 10 cm Höhe mag das UGV klein erscheinen, doch seine Entwicklung war alles andere als eine Kleinigkeit. An allen Ecken und Enden wurde das verantwortliche Team mit widersprüchlichen Leistungsanforderungen konfrontiert: So sollte das System leistungsstark, aber klein sein. Es sollte ein hohes Drehmoment entwickeln, aber zugleich mit einer einzigen Akkuladung eine lange Betriebszeit haben. Ergo mussten Kompromisse geschlossen, Komponenten optimiert und Prioritäten bei den Spezifikationen gesetzt werden.

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 ist ein beträchtliches Maß an Drehmoment nötig. Normalerweise würde jeder Ingenieur einfach einen Motor wählen, der groß genug ist, um für den benötigten 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, andererseits hätte eine Drehmomenterhöhung mit einer Verringerung der Geschwindigkeit erkauft werden müssen, was in einem Such- und Rettungsroboter nicht akzeptabel ist.

Kurzum: Was für dieses Projekt benötigt wurde, waren Motoren mit hoher Leistungsdichte und dem Durchmesser einer Zigarette. Fündig wurden die Entwickler schließlich bei der Faul­haber-Schwester Micromo aus den USA. Die 8- und 10-mm-Gleichstrommotoren kommen eigentlich in medizinischen Anwendungen zum Einsatz, was den zusätzlichen Vorteil einer betriebssicheren Lösung mit sich bringt. „Diese Motoren müssen in Betriebsumgebungen arbeiten, in denen von ihrem Funktionieren Menschenleben abhängen können“, berichtet Patrick McKinney, leitender Geschäftsführer von Recon-Robotics und ergänzt: „Wir haben diese Motoren im Vorfeld im Dauerbetrieb für gut 168 Stunden bei 50 % Last getestet.“ Ein zusätzliches Planetengetriebe mit einem Untersetzungsverhältnis von 64:1 erhöht das Drehmoment noch weiter, und das bei nur geringfügig 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. Dabei generiert ein Kreisel 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 Kamera-Öffnung immer korrekt für die Bildaufnahme ausgerichtet bleibt.

Hart im Nehmen

Fahrten zum Einsatzort sind dem Recon Scout IR fremd. Er ist so konstruiert, dass er direkt an den Erkundungsort geworfen werden kann. Dementsprechend musste ihn das Entwicklerteam so dimensionieren, dass er einen Aufprall auf Beton aus 10 m Höhe schadlos übersteht.

Auf diesem kraftvollen „Zwerg“ basiert das Antriebskonzept des mobilen Erkundungsroboters.

© Dr. Fritz Faulhaber

Dafür wählte man ein Gehäuse aus Luftfahrt-Aluminium, das zugleich die Wärmeabfuhr unterstützt. Ein Titangehäuse im Querträger schützt die internen Komponenten. Die Räder bestehen aus Polyethylen und wirken gleichzeitig als Aufpralldämpfer.

Wenn das Gerät nach einem Wurf im Zielgebiet aufschlägt, wirken auf die Räder Kräfte, die so groß sind, dass dabei die Antriebs-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 dem hohen Wirkungsgrad der Motoren zu verdanken ist.

Vom Aufklärer zum Retter

Die Originalversion des Scout war ein Überwachungsroboter, der für militärische Anwendungen sowie für Spezial­einsatzkräfte in einem relativ sauberen urbanen Umfeld konzipiert war. Als die Recon-Robotics-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 von Spikes mit einer Länge von 2,5 cm, um die Traktion zu verbessern.