Der Quanipulator ist ein mit einem Greifarm ausgerüsteter Kopter, mit dem beispielsweise Werkzeug oder andere Objekte transportiert und in naher Zukunft auch eingesetzt werden können. Damit eignet sich die Drohne besonders, um Aufgaben in großen Höhen oder für Menschen unzugänglichen Bereichen zu bewältigen. Flugroboter haben ihren Kollegen am Boden außerdem einiges voraus: In der Luft haben sie mit deutlich weniger Hindernissen zu kämpfen und während humanoide Roboter stolpern und radgetriebene Roboter an zu hohen Stufen scheitern, können sie in Windeseile ihr Aufgabengebiet per Luftlinie erreichen. Ausgestattet mit einem Roboterarm kann die Drohne nun bestimmte Operationen, wie etwa das Überprüfen von Stromleitungen, durchführen.
Aktuell bietet Emqopter eine Quadrokopterversion mit einem 2DOF Greifarm an, der am vorderen Ausleger unterhalb des Motors montiert wurde. Dadurch ragt der ausgestreckte Arm über die Propeller hinaus, was die Gefahr minimiert, dass Rotoren umliegende Gegenstände beschädigen. Ein Drohnenpilot kann damit, nach etwas Übung, ca. 200g schwere Objekte transportieren und punktgenau platzieren. Wie gut das bereits jetzt funktioniert, zeigt das folgende Video:
Mit den vier Motoren, die eine Leistung von ca. 1200W erreichen und über 12 Zoll große Propeller verfügen, stellt die Drohne einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Wendigkeit dar, um auch engere Passagen bewältigen zu können. Entwickler, die eigene Konfigurationen an der Drohne testen und eigene Projekte mit dem Quanipulator umsetzen möchten, können das QCS-Framework als Programmierschnittstelle nutzen.
Emqopter arbeitet bereits an der nächsten Iteration des Quanipulators. Dieser wird eine größere Traglast von bis zu 500g stemmen können und zudem einen agileren 6DOF Greifarm besitzen, der durch vorprogrammierte Bewegungen bereits selbstständig agieren können soll. Damit wird auch die Bewältigung filigranerer Aufgaben möglich. Um gleichzeitig sowohl den Arm als auch den Flug der Drohne mit nur einem Piloten steuern zu können, arbeiten die Drohnenexperten an einer intuitiven Steuerung, die dem Operator, trotz des komplexeren 6DOF Manipulators, die Bedienung leichter machen soll. Für die Umsetzung der größeren Traglast soll die nächste Generation des Flugroboters stärkere Motoren besitzen, etwa die, die bereits in der Lieferdrohne zum Einsatz kommen. Statt eines Quadrokopters wird die nächste Version dann entweder als Hexa- oder Oktokopter umgesetzt. Das neuste Video von Emqopter zeigt den Prototypen des neuen Quanipulators mit dem 6DOF Greifarm.
Um das Ausführen präziser Arbeiten mit dem Greifarm der Drohne zu ermöglichen, sind spezielle Stabilisierungsmethoden nötig. Dabei ist die Regelung eines solchen Systems nicht trivial, denn die Bewegungen des Greifarms beeinflussen den Flug der Drohne und umgekehrt. Die Steuerung muss also nicht nur Störungen von außen wie Wind, Stöße, etc., sondern auch die Aktuatorik des Armes ausgleichen. Je größer das Gewicht des Armes im Verhältnis zum Gesamtgewicht der Drohne wird, desto stärker beeinflusst die Dynamik des Manipulators die Stabilisierung der Drohne. Das Video der Luxemburger Universität zeigt die Funktion der "Aerial Manipulation".
Besonders bei schnellen Bewegungen sind die Auswirkungen auf die Drohnensteuerung sehr stark. Je näher sich der Arm am Schwerpunkt der Drohne befindet, desto störungsfreier wird die Regelung funktionieren. Allerdings ist damit der Arbeitsbereich des Roboterarms stark eingeschränkt. Emqopter arbeitet deshalb daran, den Arm seitlich zu montieren. Das macht zwar die Regelung um einiges komplizierte, aber gleichzeitig erhöht man die Einsatzmöglichkeiten des Quanipulators immens! Zudem sollten langsame und kontinuierliche Bewegungen des Armes ausgeführt werden, da diese besser durch die Flugsteuerung kompensiert werden können. Dies funktioniert für Aufgaben, die eine moderate Präzision erfordern, wie das im Video gezeigte Einschenken von Flüssigkeiten, sehr gut. Im Falle der Stabilisierung, die für Operationen mit geringer Fehlertoleranz nötig sind, muss meistens jedoch eine schnelle Regelung erfolgen, die sich während des Fluges allerdings wieder negativ auf die Steuerung auswirkt. Einen Ansatz für einen stabilisierenden Regler, der diese Störungen ausgleichen kann, liefert das Team um Min Jun Kim mit dem Paper "A Stabilizing Controller for Regulation of UAV With Manipulator", in welchem die Störmomente durch Kaskadenregelung eliminiert werden.
Wie bereits in unserem Artikel Die Evolution der Drohnen erwähnt, soll das von Emqopter zum Patent angemeldete Modularisierungssystem, welches im Rahmen der BayTOU-Förderung entwickelt wird auch Teil des Quanipulators werden. Arbeitsbereiche mit wechselnden Anforderungen können somit von einem flexiblen Drohnenaufbau, der an die Auftragslage angepasst werden kann, profitieren. Während beispielsweise für schweres Werkzeug und Arbeiten in großer Höhe eine robuste Konfiguration mit mehr Motoren nötig ist, eignen sich für Arbeiten in Rohrsystemen kleine Drohnen mit mehr Kollisionsvermeidungs- und Navigationssensorik. Dafür wird man in Zukunft also nicht mehr zwei seperate Drohnen kaufen müssen, stattdessen wird das für die Anwendung optimale Fluggerät einfach mit den vorhandenen Teilen zusammengebaut.
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