Rettung von Verschütteten – das ist die Mission eines mehrgliedrigen, kriechenden Roboters. Studierende an der Eidgenössischen Hochschule Zürich (ETHZ) haben ihn entwickelt. Sein Name ist Programm, denn «Traloc» steht für „Track“ und „Localization“. Der Roboter bewegt sich auf einer Raupe ähnlich einem Kettenfahrzeug. Er lokalisiert Verschüttete und leitet die Rettung ein. 

MARTIN RÜEGG

Alles begann mit einer Vision: Wie wäre es, wenn die Suche nach Überlebenden von einem Roboter übernommen werden könnte, der sich aus sicherer Distanz zielgenau durch das Trümmerfeld steuern ließe? Wie könnte das Risiko für die Einsatzkräfte vor Ort minimalisiert und die zur Verfügung stehende kritische Zeitspanne direkt nach dem Beben möglichst effizient genutzt werden? Wie könnten Verschüttete punktgenau lokalisiert werden und wie lässt es sich mit Überlebenden kommunizieren? Diese und ähnliche Fragen standen für die Teammitglieder im Vordergrund. Und ihre Antwort ist keine schlechte.

Durch Erdbeben verschütte Personen können unter meterhohen Trümmerhaufen begraben sein. Ortung und Rettung dieser Opfer ist ein risikoreiches und zeitkritisches Unterfangen, welches von Opfern und Helfern das Äußerste abverlangt. In dieser Ausnahmesituation ist eine erschütterungsfreie, aber gleichzeitig schnelle und präzise Ortung der Opfer für eine effektive Rettung entscheidend. Denn die Überlebenswahrscheinlichkeit nimmt über die Zeit rapide ab. Hier setzt Traloc an. Er ist ausgelegt, um schwer zugängliches und potenziell einsturzgefährdetes Terrain zu erkunden, Lebenszeichen zu erfassen und eine präzisierte Ortung durchzuführen.

Modulares System aus fünf autonomen Basiselementen

Das Projekt fokussiert auf theoretische Machbarkeit und mögliche Umsetzung eines Rettungssystems, das in der Lage ist, bekannte und bewährte Methoden in der Rettungstechnik zu unterstützen und zu ergänzen. Der Traloc ist ein modulares System, welches in seiner derzeitigen Form aus fünf autonom angetriebenen, in sich geschlossenen Basiselementen besteht. Jedes dieser Elemente verfügt über einen zentralen Antrieb, welcher Raupen auf allen vier Längsseiten antreibt und in jeder räumlichen Lage Vorwärtstrieb gewährleistet. Die Basiselemente sind jeweils mit einem Kardangelenk verbunden, welches eine Bewegung in der Horizontalen sowie in der Vertikalen erlaubt und die agile Fortbewegung ermöglicht. Das Steuerungskonzept beinhaltet einen Mikrocontroller für jedes einzelne Basiselement, welcher Vortrieb und Auslenkung des entsprechenden Elements sowie die Kommunikation mit den anderen im System befindlichen Mikrocontrollern übernimmt. Die Modulbauweise ermöglicht das Erweitern des Traloc mit zusätzlichen Basiselementen, um beispielsweise grössere Hindernisse oder Überhänge zu überwinden.

Kubische Leichtbaukonstruktionen und Hauptantrieb

Grundbaustein des Traloc sind selbsttragende kubische Leichtbaukonstruktionen mit einer Seitenlänge von etwa 200 mm. Sie sind als autarke Module aufgebaut und bieten Platz für die Antriebe für Vortrieb und Gelenk, die dazugehörige Elektronik und Sensorik sowie die Steuerung und Schnittstellen. Auf ihren Längsseiten sind die Elemente mit jeweils zwei Raupen ausgestattet, welche über einen zentralen Antrieb bewegt werden. An der Stirnseite befindet sich das räumlich frei bewegbare Kardangelenk, welches in zwei Achsen motorisch verstellt werden kann.

Die auf allen vier Längsseiten der Basiselemente angeordneten Raupen werden jeweils von einem einzelnen Motor über ein zentrales Schneckengetriebe mit vier Abgängen – eine weitere Eigenentwicklung des Traloc-Teams – und mittels Doppelzahnriemen (Innen und Aussen verzahnte Flachzahnriemen) simultan angetrieben. Dieses Antriebsprinzip hat den Vorteil, dass sich der Traloc verlässlich fortbewegen kann, unabhängig davon, wo sich gerade die Kontaktstellen zum Untergrund befinden. Auf eine sensorische Überwachung des Vorwärtstriebs wurde bewusst verzichtet. Als Antrieb dient ein bürstenloser Flachmotor mit integriertem 1-Q-Drehzahlregler des Typs EC 32 flat IE von Maxon Motor.

Angetriebenes Kardangelenk

Ein Kernstück der Mechanik ist das eigenentwickelte, innovative Gelenkkonzept. Die Idee basiert auf einem aktiv angetriebenen Kardangelenk, welches erlaubt, einen beidseitigen Winkel von jeweils etwas mehr als 45° in jeder Ebene einzuschlagen. Die beiden Freiheitsgrade sind mechanisch entkoppelt, was die Konstruktion sehr robust gegenüber Störeinflüssen macht und eine einfache Steuerung erlaubt. Jeder Freiheitsgrad wird von einem Elektromotor über eine zweistufige Kettenuntersetzung angetrieben. Zusätzlich befindet sich ein kontaktloser Winkelsensor im Kettenantrieb, welcher die exakte Positionierung des Gelenkes ermöglicht. Angetrieben wird jeder Freiheitsgrad mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor der Baureihe EC-max 22 mit nachgeschaltetem keramikbestückten Planetengetriebe GP 32 C und einem 1-Q-EC Servokontroller DEC Module 50/5.

Steuerung per Snake Controller

Der gewählte modulare Aufbau des Systems bietet grundsätzlich großes Potential für die Umsetzung ausgefeilter Algorithmen zur spezifischen Regelung der einzelnen Basiselemente. Um den eng gesteckten Zeitrahmen des Projekts nicht zu sehr zu strapazieren wurde beim realisierten Prototypen jedoch auf eine komplexere Bewegungsregelung verzichtet. Gleichwohl konnten alternative Steuerungsmöglichkeiten detailliert aufgezeigt werden.

Der Traloc ist mit einer Schnittstelle ausgerüstet, über welche die Drehwinkel der einzelnen Zwischengelenke und die Fahrgeschwindigkeit übermittelt werden. Zur Ansteuerung stehen verschiedene Methoden, wie beispielsweise die Trajektorienplanung mittels MATLAB, eine Graphische Steuerungskonsole oder die innovative Eigenentwicklung „Snake Controller“, zur Verfügung. Bei letzterer hält der Bediener ein verkleinertes Modell des Traloc in den Händen. Die gewünschten Formabweichungen lassen sich nun vorgeben, indem die einzelnen Glieder des „Snake Controller“ gegeneinander verstellt und in die gewünschte Form gebracht werden. Die Fahrgeschwindigkeit wird über einen Schieberegler vorgegeben. Die aktuellen Auslenkungen des Miniatur-Traloc werden geglättet und als Parameter an die jeweiligen Steuerungen in den Basiselementen übermittelt, womit Form und Position des Controllers als Modell nachgebildet werden. Übermittelt werden die Steuerparameter via Schleppkabel, welches auch die Leitungen für die Energieversorgung und zur Datenübertragung der vom Roboter mitgeführten Umgebungssensoren beinhaltet.

Kamera und Inertialmesssystem

Die am vordersten Basiselement angebrachte Kamera lässt sich in allen Achsen bewegen. Neben horizontalem und vertikalem Schwenk ist sie in der Lage auch rückwärts, über den Traloc hinweg, entgegen der Fahrtrichtung zu sehen.

Im mittleren der fünf Basiselemente ist ein Inertialmesssystem integriert. Es überwacht die räumliche Orientierung des Traloc und übermittelt die Daten zu Position, Lage und geografischer Ausrichtung an die externe CPU. Diese werden zur Bestimmung der Position lokalisierter Verschütteter und zum Errechnen des sicheren Rückfahrpfades des Traloc verwendet. Die Ausrüstung aller Basiselemente mit jeweils einem individuellen Inertialmesssystem ist zwar vorgesehen, wurde aber innerhalb der Projektarbeit aus Zeitgründen nicht umgesetzt.

Reale Tatsache und fiktive Zukunft

Der von den Studenten der ETHZ entwickelte Roboter erfüllt die grundsätzlichen im Rahmen der Projektarbeit gestellten Ziele. Verständlicherweise konnten mit dieser Entwicklung nicht alle Aufgaben, die in Bezug zum praktischen Einsatz im Katastrophenfall stehen, erfüllt werden. Die Entwicklung läuft und weitere Untersuchungen sind im Gange, wie die Funktionstüchtigkeit noch verbessert werden kann. Aber das Grundgerüst steht und ist praxistauglich. Aktuell werden unter Beteiligung der Militärischen Katastrophenhilfe – eine in die Schweizer Armee integrierte Hilfs- und Rettungsstaffel – von RUAG Defence und diversen Katastrophenhilfe-Organisationen, die mögliche weitere Entwicklung sowie die zukünftige Nutzung des Traloc abgeklärt und verfolgt.

www.maxonmotor.com
www.traloc.ethz.ch

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