Young Engineers Program

Auf dem Weg zum fliegenden Roboter

Im Rahmen eines Fokusprojektes der ETH Zürich haben acht Bachelor-Studierende einen fliegenden Manipulator gebaut, der in beliebiger Ausrichtung schweben und Objekte greifen kann. Die Drohne übertrifft die Manövrierfähigkeit eines Quadrocopters und soll die Forschung in der Luftrobotik vorantreiben.

Eine Lagerhalle mit fliegenden Robotern, die Pakete transportieren. Um sich einem solchen Zukunftsszenario der Intralogistik anzunähern, haben schon viele Tüftler Quadrocopter mit seriellen Greifarmen ausgestattet. Doch derartige Drohne-plus-Arm-Konstrukte sind träge und verfügen mit dem herausragenden Arm über eine ungünstige Gewichtsverteilung, was sowohl ihre Präzision als auch ihre Lastfähigkeit beeinträchtigt. Kommt hinzu, dass Quadrocopter sich nur auf der horizontalen Ebene drehen können und daher der sogenannte Endeffektor – in diesem Fall der Greifer – sich nicht in jede Richtung bewegen kann. Entsprechend übernehmen die meisten Drohnen vorerst noch inspizierende Aufgaben.

Ein Team von Bachelor-Studierenden in den Fakultäten Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich hatte letzten Herbst die Idee, einen integrierten Flugroboter zu entwickeln, der sich dieser Mankos entledigt. Die jungen Ingenieur:innen nahmen sich dem vom Autonomous Systems Lab (ASL) ausgeschriebenen Fokusprojekt an und bauten einen omnidirektional fliegenden Manipulator, also ein Gerät, das mit der Umgebung physikalisch interagieren kann.

Daniel Gisler, mechanical engineering student and member of the Griffin team, with the flying manipulator..

Von einem 3D-Drucker inspiriert

Um eine hohe Präzision am Endeffektor zu erreichen, haben die Studierenden einen linearen Parallel-Arm verbaut, der mithilfe dreier Schlitten positioniert wird, die sich in einer prismatischen Struktur bewegen. Dem Prismav – das steht für Prism Micro Aerial Vehicle – haben die jungen Innovator:innen vier verschieden ausgerichtete Antriebe verliehen, die je aus zwei entgegengesetzt drehenden Propellern bestehen. Damit wird das Moment der Einzelpropeller ausgeglichen und ein stabiles Flugverhalten erreicht.

Die Inspiration für den Delta-Arm stammt aus dem Innenleben eines 3D-Druckers. Matthias Rubio, Maschinenbaustudent, erklärt: «Wir standen vor dem 3D-Drucker und kamen auf die Idee, aus der inneren Struktur des Druckers eine fliegende Plattform zu bauen, die das Fliegen und Manipulieren miteinander kombiniert.» Dies stellt insofern ein Novum dar, da derartige Delta-Arme noch kaum in fliegende Manipulatoren integriert wurden.

Parallel-Arm kompensiert Positionsfehler

Die Rotorgruppen sind um ihre eigene Achse drehbar. Dadurch ist das 7.5 Kilogramm wiegende Flugobjekt in der Lage, in beliebiger Ausrichtung zu schweben. Die omnidirektionale Drohne wurde während des Fokusprojekts in einem Innenraum betrieben, der mit einem visuellen Motion-Tracking-System ausgestattet ist und die genaue Messung der Position und Ausrichtung gewährleistet. Damit ist Prismav in der Lage, mit der Umgebung zu interagieren und den Greifer präzise zu positionieren. Zwei Batterien mit einer Kapazität von 20000 Milliamperestunden sorgen für eine Flugzeit von rund 12 Minuten.

Die acht Studierenden (sieben in der Fakultät Maschinenbau und einer in der Fakultät Elektrotechnik) des Teams Griffin jubeln nach einem erfolgreichen Transportflug mit einem 500 Gramm schweren Zylinder.

Die verbleibende Ungenauigkeit des Flugmanövers liegt meist zwischen 10 und 15 Zentimeter. Um dies zu kompensieren, setzen drei bürstenlose maxon Motoren den Greifarm exakt in Position. Dabei werden alle drei auf Linearführungen gleitenden Schlitten mit Hilfe eines Zahnriemens individuell positioniert. Dank dieses Systems erreicht der Greifer jede beliebige Stelle innerhalb des abgesteckten 3D-Raumes. Um Gewicht einzusparen, aber nicht an Kraft einzubüssen, entschied sich das Team für die kompakten Antriebe des Typs ECX TORQUE 22 M.

Für gefährliche oder unzugängliche Stellen

Mit Prismav haben die Studierenden eine Grundlage für die weiterführende Forschung geschaffen. Matthias Rubio ergänzt: «Wir haben gezeigt, dass ein fliegender Manipulator einen Zylinder von 500 Gramm ergreifen, transportieren und wieder ablegen kann, indem er mit der Umgebung interagiert.» Zentral dabei ist, dass der Greifarm den Positionsfehler schneller ausgleicht als die Drohne sich bewegt.

Das 2021 vorgestellte Fokusprojekt stiess auf grosse Resonanz. Deshalb entwickeln die Studierenden den Prismav jetzt im Rahmen ihrer Bachelor-Arbeiten weiter. Sie optimieren die automatisierte Positionierung, Flugbahnberechnung, Steuerungssoftware und integrieren eine intuitive Steuerung. Das macht Sinn, denn das Anwendungspotenzial ist beträchtlich. Flugroboter könnten künftig zum Beispiel Arbeiten an unzugänglichen oder gefährlichen Stellen ausführen: Schrauben anziehen, Gerüste aufbauen, Hochspannungsleitungen reparieren oder sogar Lawinenschutzbauten aufstellen.