Ein 950 Gramm schwerer Hüpfroboter aus Toronto bewegt sich in Außentests mit einem einzigen Bein über Eis und losen Sand. Seine neue Sohle verhindert, dass der Fuß im weichen Boden versinkt, und verbessert den Halt auf glatten Flächen. Ein Pilot gibt die Bewegung vor, während die Elektronik an Bord den Prototyp beim Hüpfen stabilisiert. Den Unterschied macht ein kleines Bauteil, das gleichzeitig nachgeben und zuverlässig Halt finden muss.
Unter dem langen Bein des Hopcopters sitzt eine runde Sohle mit Kugelgelenk, elastischen Bändern und kurzen Stahlstiften. Entwickelt hat den Fuß der Doktorand Jeeraphat Owen Kledkruemas im Team von Robotikprofessor Pakpong Chirarattananon an der University of Toronto. Die breite Fläche verteilt die Last, das Gelenk passt ihre Neigung an und die Spitzen verbessern den seitlichen Halt. Zusammen lösen diese Teile zwei Probleme, die den früheren schmalen Fuß auf Sand und Eis aus dem Tritt brachten.
Beim Aufprall mit einem spitzen Fuß konzentriert sich die Kraft auf eine kleine Fläche, sodass weicher Boden unter der Last nachgibt. Auf Eis fehlt wiederum der Halt, den das Bein für einen berechenbaren Absprung benötigt, und der Kontaktpunkt kann wegrutschen. Dann stimmen die angenommene Position am Boden und die tatsächliche Bewegung der Maschine schon vor dem nächsten Hüpfer nicht mehr überein. Aus einer kurzen seitlichen Verschiebung entsteht ein anderer Absprungwinkel, der den Körper vom geplanten Weg abbringen kann.
Die Sohle misst sechs Zentimeter im Durchmesser, ihre Stahlstifte ragen fünf Millimeter aus der Unterseite hervor und greifen am Boden an. Vier elastische Bänder ziehen den Fuß nach jedem Sprung wieder gerade, während das Kugelgelenk Bewegungen in verschiedene Richtungen zulässt. Beim schrägen Aufsetzen kann sich die Sohle deshalb an den Untergrund anlegen, ohne dass das ganze Bein dieselbe Neigung annehmen muss. Für den Halt auf Eis passt der Vergleich mit Steigeisen, deren Spitzen unter einem Schuh zusätzliche Kontaktpunkte schaffen. Auf lockerem Sand wirkt die breitere Auflage dagegen ähnlich wie ein Schneeschuh, weil sie die Kraft auf mehr Boden verteilt.
Beim Landen schiebt sich das Teleskopbein zusammen und spannt seine elastischen Elemente, die einen Teil der Bewegungsenergie vorübergehend aufnehmen. Sobald sich das Bein wieder streckt, geben diese Elemente ihre Energie ab und stoßen den Körper erneut vom Boden weg. Die Propeller kontrollieren die Lage und liefern Energie nach, die bei den Sprüngen verloren geht, etwa durch den nachgebenden Untergrund. Eine Landung bereitet damit zugleich den nächsten Absprung vor, weshalb ein stabiler Kontakt für die ganze Bewegungsfolge wichtig ist.
Gespeicherte Federenergie kann bei kleinen Maschinen erstaunlich große Sprünge ermöglichen, wie ein Miniroboter mit mehr als 30 Metern Sprunghöhe demonstriert. Bei diesem Gerät lädt ein Elektromotor gebogene Kohlefaserstreben und Gummibänder mit Energie, die beim Auslösen in kurzer Zeit frei wird. Solche Sprungmaschinen können über längere Zeit Energie sammeln und sie dann in einem kräftigen Abstoß gebündelt abgeben. Beim Hopcopter folgen dagegen Landung und erneuter Absprung unmittelbar aufeinander, während die Propeller die Bewegung während der Luftphase beeinflussen.
Für die Versuche im Freien trägt der Hopcopter einen Bordcomputer und LiDAR, ein Messsystem, das seine Umgebung mit Laserlicht erfasst. Zusammen wiegt diese Ausführung 950 Gramm; die Sensoren helfen der Elektronik, ihre Lage zu schätzen und die Sprünge zu stabilisieren. Mehr Ausrüstung erhöht zugleich die Masse, die bei jedem Bodenkontakt aufgefangen und beim Absprung wieder beschleunigt werden muss. Bei einer Drohne im Schwebeflug müssen die Propeller das gesamte Gewicht fortlaufend tragen, während beim Hüpfen das federnde Bein einen Teil der Arbeit übernimmt.
Eine Vorgängerstudie zur tragfähigen Hopcopter-Plattform untersuchte eine 220 Gramm schwere Grundmaschine, die beim Hüpfen bis zu zwei Kilogramm Zusatzlast bewegte. Ihre Propeller können Schub nach oben und unten erzeugen, wodurch die Steuerung den Energiehaushalt der Sprünge beeinflussen kann. Die hohe Last stammt aus diesen gesonderten Versuchen; im Eistest der neuen Fußstudie stand der sichere Bodenkontakt im Mittelpunkt. Für einen späteren Messroboter gehören beide Aufgaben zusammen, weil Sensoren zusätzliche Masse mitbringen und zugleich eine möglichst berechenbare Bewegung benötigen.
Auf gefrorenem Untergrund dokumentiert die Studie in Advanced Intelligent Systems 99 Sprünge über zusammen 22,9 Meter bei einer erfassten Dauer von 83 Sekunden. Wind mit 20 bis 30 Kilometern pro Stunde beeinflusste dabei die Bewegung, sichtbares Wegrutschen beobachtete das Team mit dem Stachelfuß nicht. Der aus LiDAR-Daten geschätzte Positionsfehler betrug rund 36 Zentimeter, berechnet als Wurzel aus der mittleren quadratischen Abweichung vom geplanten Landepunkt. Auf Sand summierten sich die Versuche auf 180 erfolgreiche Sprünge über 34,3 Meter, wobei seitliches Versetzen und Abdriften deutlicher ausfielen. Die für Sand genannten Strecken und Sprungzahlen fassen mehrere Versuchsläufe zusammen.
Wie gut ein Roboter landet, betrifft mehrere Größen zugleich: Er muss seine Körperlage beherrschen und einen brauchbaren Ausgangspunkt für den nächsten Sprung erreichen. Auch die gewählte Höhe spielt dabei eine Rolle, wie ein Miniroboter mit auf einen Zentimeter genau einstellbarer Sprunghöhe zeigt. Eine passende Höhe hilft bei der Planung, während ein verlässlicher Fußkontakt die Bewegung beim Auftreffen wieder berechenbar macht. Für eine Maschine, die über wechselnde Böden vorankommen soll, müssen Antrieb, Körperlage und Bodenkontakt bei jedem Sprung zusammenspielen.
Als spätere Aufgaben nennt Chirarattananon die Suche nach Menschen nach Naturkatastrophen und Inspektionen an schwer zugänglichen Orten. Die autonome Navigation will das Team weiterentwickeln; bei den beschriebenen Außentests führte ein Pilot den Roboter über das Gelände. Für einen selbstständigen Einsatz müsste die Maschine geeignete Wege und Landestellen erkennen und ihre Sprünge daran ausrichten. Auf dem gefrorenen Boden beginnt diese Aufgabe weiter unten: An der kleinen Sohle müssen die Stahlstifte greifen, bevor sich das Teleskopbein zum nächsten Hüpfer streckt.
Advanced Intelligent Systems, Compliant Footpads Enable Terrain-Adaptive Hopping in a Monopedal Robot; doi:10.1002/aisy.70580
University of Toronto, A new flexible foot pad enables this one-legged, hopping robot to go where few robots have gone before
IEEE Transactions on Robotics, A High-Payload Robotic Hopper Powered by Bidirectional Thrusters; doi:10.1109/TRO.2025.3600127
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