Over alle hindernissen – robot op verkenningsmissie

Intelligente robotsystemen worden steeds vaker ingezet in gebieden die getroffen zijn door grote rampen, waar reddings- en bergingswerk moet worden uitgevoerd en waar het voor mensen te gevaarlijk is om te komen. Robots die na een explosie, aardbeving of andere natuurcatastrofes naar overlevenden zoeken of beelden doorgeven vanuit ontoegankelijke plekken, zijn tegenwoordig van onschatbare waarde. Sterke EC-motoren van maxon motor zorgen voor de aandrijving van de Japanse reddingsrobot ”Quince”.

Prof. Eiji Koyanagi, vicedirecteur van het fuRO met Quince. © 2012 fuRO

Robots die voor zoek- en reddingsacties ingezet worden, moeten zich extreem goed aan kunnen passen. Ze moeten klein zijn, niet te zwaar en wendbaar genoeg zijn om in spleten of door nauwe doorgangen te kruipen. Bovendien mag moeilijk terrein geen hindernis voor ze zijn. Deze reddingsrobots dringen gebouwen binnen en gaan na of er gassen of straling of andere levensgevaarlijke bedreigingen zijn, voordat menselijke reddingsbrigades het terrein onderzoeken. De robot Quince heeft bewezen dat hij over deze eigenschappen beschikt. Na de zware aardbeving in Japan en de aansluitende nucleaire ramp in Fukushima kon Quince in juni 2011 de bovenste etage van de reactorruïne bereiken. Hij heeft hier radioactieve stralingsmetingen gedaan en hij stuurde HD-beelden naar de buitenwereld (zie QR-code). Daar waar de mensen niet konden komen, leverde de robot waardevolle informatie. 

De 27 kilo zware Quince beschikt over vier beweeglijke rupsaandrijvingen (flippers). Deze flippers passen de hoekstand automatisch aan de ondergrond aan – zowel op een steile trap of op onbegaanbaar terrein. Belangrijke voorwaarde hiervoor is het bodemcontact. Het contact wordt door meting van het verbruik van de flippermotoren precies geanalyseerd. Bovendien meten PSD-sensoren (Position Sensitive Device) aan de voorste en achterste flippers de afstand tot de bodem. Naast de grijparm (zie afb. 2) kunnen op de robot ook twee laserscanners bevestigd worden, die in staat zijn om de structuur van het terrein nauwkeurig te registreren. 

Bovenal is de snelle Quince – hij verplaatst zich met een snelheid van 1,6 m per seconde – met een ”Birds Eye Camera” uitgerust. De operator moet de robot weliswaar een richting op sturen, maar de optimale stand van de flippers – al naar gelang het terrein dat hij moet oversteken – bepaalt de robot zelf. In de nieuwere versies van Quince is ook een apparaat ingebouwd dat radioactief stof of ultrafijne deeltjes kan verzamelen. Daarnaast zijn de robots met een 3D-scanner uitgerust. Om ervoor te zorgen dat geen robot wordt verloren, is een verbinding met een draadloos netwerk mogelijk. Zo is besturing van de robots ook nog mogelijk als de verbindingskabel scheurt of afbreekt.

De reddingsrobot is ontwikkeld door Eiji Koyanagi, vice-directeur van het Chiba Institute of Technology Future Robotics Technology Center (fuRO). Koyanagi begon zijn loopbaan als leraar – hij werd professor toen hij 51 jaar was. 
Quince werkt voornamelijk in gebieden
die door rampen zijn getroffen. ”Bij de ontwikkeling van een robot moet eerst gedacht worden aan de taken die hij later moet uitvoeren. Dat is de grootste uitdaging”, zegt Koyanagi. Tot nu toe zijn acht Quince-robots gebouwd. Voordat de robot
aan zijn taken begint, moet zeker zijn dat alle componenten 100 procent functioneren. Hiervoor werden uitgebreid proeven gedaan op het ruime oefenterrein “Disaster City” in College Station, Texas. Quince was de enige robot die het complete parcours op het terrein aankon (ter gelegenheid van een
RoboCup-wedstrijd). Bij de voorbereidingen voor het werk
in het binnenste van de kernreactor in Fukushima Daiichi moesten wijzigingen aan de robot aangebracht worden.
”De omstandigheden waarin de robot in een kernreactor moet werken zijn extreem. Als we Quince onaangepast de reactor
in hadden gestuurd, was dat waarschijnlijk het eind van Quince geweest”, licht Koyanagi toe. De robot moest tijdens de missie in Japan een val uit twee meter hoogte onbeschadigd kunnen doorstaan. Hij diende verder onderhoudsvrij te kunnen opereren. 
 

Krachtige motoren voor elke hindernis

Ook bij de motorkeuze was fuRO aangewezen op betrouwbare aandrijvingen. De motoren moesten
tegelijkertijd een hoog vermogen en rendement hebben, maar ze dienden ook klein en licht te zijn.
Motoren van maxon voldoen aan deze eisen, verklaart Koyanagi. Voor de aandrijving zorgen zes sterke maxon motoren. De borstelloze gelijkstroommotor EC 4pole 30 produceert 200 W en is in tweevoudige uitvoering in de twee hoofdkettingen geïnstalleerd. Deze 4-polige powermodellen doen hun job terwijl Quince over hobbelig terrein gaat. Vier andere motoren (EC 22) drijven de beweeglijke kettingaandrijvingen (flippers) aan. De 3D-scanner van Quince wordt in de juiste positie gezet door een RE max 24. Dankzij de speciale wikkelingstechnologie en de vierpolige magneten zijn de aandrijvingen EC 4-pole onverslaanbaar als het gaat om de hoogste prestatie per volume- en gewichtseenheid. De motoren hebben geen restkoppel, een hoog rendement en een uitstekende regeldynamica. De metaalbehuizing bezit bovendien een goede warmteafvoer en mechanische stabiliteit. Alle motoren van de loopkettingen worden gecombineerd met de planetaire overbrenging GP 32 HP (High Power) met MR-encoder.
Deze overbrenging is voor de klant aangepast door een groot kogellager en een sterkere motoras. Met dit powerpakket kan Quince probleemloos bijna elke hindernis aan.