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Ausgezeichnete Bachelorarbeit: Absolventen entwickeln springenden Roboter fürs Weltall

Der Mars wurde bereits von rollenden Erkundungsrobotern befahren. Dass sich Roboter auf fremden Planeten auch anders fortbewegen könnten, zeigt der Space Bok. Die ZHAW-Absolventen Camille Huber und David Schaufelberger haben an dessen Entwicklung tatkräftig mitgewirkt.

Der Erkundungsroboter kann sich laufend und springend fortbewegen.
Der Erkundungsroboter kann sich laufend und springend fortbewegen.
David Schaufelberger (links) und Camille Huber haben den Space Bok mitentwickelt.
David Schaufelberger (links) und Camille Huber haben den Space Bok mitentwickelt.

Zwei Absolventen der ZHAW School of Engineering haben gemeinsam mit Studierenden der ETH Zürich den Roboter Space Bok entwickelt. Er kann sich laufend und springend fortbewegen. Auf diese Weise soll er einst fremde Planeten im Weltall erkunden. «Dort ist Springen als Fortbewegungsart effizienter als Rollen, wie es herkömmliche Erkundungsfahrzeuge tun», erklärt David Schaufelberger. «Aufgrund der geringeren Gravitation gibt es beim Fahren in steilem Gelände Traktionsprobleme.» Er und Camille Huber haben im Rahmen ihrer Bachelorarbeit im Studiengang Systemtechnik ein Elektronik-Konzept für den springenden Laufroboter entwickelt und umgesetzt. Der Schweizer Ingenieursverband Swiss Engineering STV hat die Arbeit sogar mit einem Preis ausgezeichnet und die beiden Absolventen mit einem Weiterbildungsgutschein belohnt.

«Bei geringer Gravitation ist Springen effizienter als Rollen.»

David Schaufelberger

Dynamische Anforderungen

Die hohen Stromspitzen beim Springen sind eine besondere Herausforderung für die Energieversorgung.
Die hohen Stromspitzen beim Springen sind eine besondere Herausforderung für die Energieversorgung.

Als Expeditionsroboter auf fremden Planeten zu springen anstatt zu rollen hat allerdings nicht nur Vorteile: Aufgrund der hohen Ströme, die während des Springens fliessen, stellt die Energieversorgung des Systems eine besondere Herausforderung dar, wie Camille Huber erläutert: «Diese dynamische Fortbewegungsart erfordert eine hohe Leistung während einer sehr kurzen Zeit. Dies führt zu hohen Stromspitzen mit steilem Anstieg.» Um die Lastströme einschätzen zu können, haben die Absolventen eine Bewegungssimulation durchgeführt. So konnten sie auf die wirkenden Drehmomente der Motoren schliessen. Mit den gesammelten Daten haben die Absolventen mithilfe eines Modells für die Motoren und Motorencontroller den Laststrom berechnet, der während des kontinuierlichen Springens fliesst.

Stützkondensator notwendig

Auf Basis ihrer Untersuchungsergebnisse haben Camille Huber und David Schaufelberger ein Speisungskonzept erarbeitet. Für die Spannungsversorgung setzten sie auf einen Lithium-Polymer-Akku in Kombination mit einem Stützkondensator mit einer hohen Kapazität. «Der Kondensator dient als schneller Energiezwischenspeicher und ist deshalb der Schlüssel, um die Spannungsversorgung während dieses dynamischen Betriebs aufrechtzuerhalten», so Camille Huber. In Belastungstests haben die Absolventen nachgewiesen, dass die Versorgungsspannung auf einem stabilen Wert gehalten werden kann, dafür der Einsatz eines Stützkondensators aber absolut notwendig ist.

Speziallösung entwickelt

Um einen Lithium-Polymer-Akku sicher betreiben zu können, muss dieser durch ein Battery-Management-System (BMS) überwacht und geschützt werden. Das Gerüst für ein solches System konnten die Absolventen vom ETH-Spin-off ANYbotics übernehmen. Dennoch war eine Eigenentwicklung nötig, wie David Schaufelberger sagt: «Der Leistungsteil vom BMS war für unsere hohen Anforderungen nicht ausreichend dimensioniert. Wir haben deshalb eine Speziallösung entwickelt, welche die hohen Strombelastungen aushält und gleichzeitig kompakt bleibt.»

Space Bok ist einzigartig

Space Bok Bordelektronik
Die Absolventen haben die Bordelektronik platzsparend verbaut.

Ein weiterer zentraler Punkt der Bachelorarbeit war es, die entwickelte Elektronik platzsparend im engen Innenraum des Roboters zu integrieren. Die Absolventen kreierten auch für diese Herausforderung eine clevere Lösung. «Wir haben einen Elektro-Stack entwickelt, also die gesamte Bordelektronik quasi in einen kompakten Stapel verbaut», so David Schaufelberger. «Dieser lässt sich auch aus dem Roboter herausnehmen, so dass Wartungsarbeiten einfacher zu handhaben sind.» ZHAW-Dozent Michael Wüthrich ist begeistert vom Ergebnis der hochschulübergreifenden Zusammenarbeit: «Die Studierenden beider Hochschulen haben sich perfekt ergänzt und ein Produkt hervorgebracht, das bisher einzigartig ist.» Als nächsten Schritt in Richtung Weltall wollen die Studierenden ihren Space Bok am International Astronautical Congress (IAC) vorstellen. Ausserdem soll der Roboter an der European Space Agency (ESA) in Low-Gravity-Simulationsumgebungen weiter getestet werden.