2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Ein amerikanischer Ingenieur hat einen vierflügeligen Flugroboter entwickelt, der weniger als 150 Milligramm wiegt. Die Flügelschlag-Amplitudensteuerung ermöglicht das Neigen und Drehen des Roboters entlang dreier Achsen. Die Nutzlastmasse eines solchen Roboters beträgt 262 Milligramm, was ausreichen sollte, um ihm mit einer kleinen Batterie oder einem Superkondensator Autonomie zu verleihen, sagt der Autor eines Artikels in den IEEE Robotics and Automation Letters.
Die meisten Roboter haben heute eine Masse von Hunderten von Gramm und mehr sowie die entsprechende Größe. Dadurch können sie nützliche Aufgaben für eine Person erfüllen, beispielsweise um Pakete zu transportieren. Für manche Anwendungen ist diese Größe jedoch zu groß, daher entwickeln Ingenieure auch Mikroroboter, die normalerweise weniger als ein Gramm wiegen. Diese Roboter können Aufgaben ausführen, die mit anderen Tools schwer zu bewerkstelligen sind. Rolls-Royce hat beispielsweise im vergangenen Jahr ein Konzept von Mikrorobotern entwickelt, die Flugzeugtriebwerke von innen inspizieren, und Ingenieure in Harvard zeigten kürzlich einen echten Prototyp eines Mikroroboters für diese Aufgabe.
Auf dem aktuellen Stand der technologischen Entwicklung ist die Entwicklung solcher Roboter eine äußerst schwierige Aufgabe, da in einem so kleinen Gerät viele Komponenten wie Motoren oder Aktoren, Geräte zur Speicherung und Umwandlung von Energie sowie eine Mikroschaltung kombiniert werden müssen zur Kontrolle. Diese Herausforderung wird bei der Entwicklung von Flugrobotern noch schwieriger, da sie einer noch engeren Gewichtsgrenze ausgesetzt sind. Ingenieure der Harvard University entwickeln seit mehreren Jahren fliegende Mikroroboter, die fliegen, an Blättern haften bleiben, mit einer kontrollierten Explosion in und aus dem Wasser tauchen können. Alle diese Entwicklungen sind jedoch nicht in der Lage, den Flug zu unterstützen, ohne Energie durch den Draht zu erhalten.
Ein Mitglied dieser Gruppe von Ingenieuren, Sawyer Fuller von der University of Washington, hat eine neue Version eines fliegenden Mikroroboters entwickelt, der in die richtige Richtung manövrieren und möglicherweise Elektronik für den autonomen Flug tragen kann. Es ist nach einem Kreuzmuster gebaut, das dem von Quadcoptern ähnelt, aber an den Enden der Arme befinden sich keine Rotoren, sondern Flügel. Da es unmöglich ist, in einem so kleinen und leichten Roboter Elektromotoren zu platzieren, befindet sich an der Unterseite jedes Flügels ein Ende eines piezoelektrischen Aktors, der den Flügel in die eine oder andere Richtung auslenkt. Während des Fluges bewegen sich alle Aktuatoren mit der gleichen Frequenz von 160 Hertz, jedoch kann die Amplitude ihrer Bewegung verändert werden.
Eine ungleichmäßige Amplitudenverteilung über die Flügel führt zu einer ungleichmäßigen Schubverteilung. Durch die Anpassung der Schubverteilung können die Manöver des Roboters kontrolliert werden. Durch Erhöhen des Schubs an einem Aktuator und Verringern am gegenüberliegenden können Roll- und Nickbewegungen gesteuert werden. Ein anderes Schema wird verwendet, um das Gieren zu steuern. Dazu ist es notwendig, die Bewegungsgeschwindigkeit jedes Flügels in eine Richtung zu erhöhen und die Bewegungsgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung zu verringern.
Manöverschema mit Flügelschubumverteilung
Während der Experimente konnte der Roboter mithilfe externer Steuerungen mit einem visuellen Bewegungsverfolgungssystem an Ort und Stelle schweben. Außerdem konnte der Ingenieur alle drei Manövertypen erfolgreich testen. Experimente haben auch gezeigt, dass der Roboter mit einer Last von 262 Milligramm in die Luft steigen kann. Berechnungen des Ingenieurs zeigen, dass die für den autonomen Flug erforderliche Masse der Superkondensatoren, eines Spannungswandlers und eines Mikrocontrollers für das Energiemanagement 260 Milligramm beträgt. Zukünftig plant der Autor, den Roboter mit einem solchen System auszustatten und einen komplett nichtflüchtigen Flug zu zeigen.
Im vergangenen Jahr zeigten Fuller und seine Kollegen einen fliegenden Roboter mit zwei Flügeln, der abheben kann, ohne dass ein Draht zur Kraftübertragung verwendet wird. Ein solcher Roboter kann zwar nicht als vollständig autonom bezeichnet werden, da er Energie von einem Laserstrahl erhält. Dazu befindet sich in seinem oberen Teil ein 250-Milliwatt-Photovoltaik-Panel.
