„Muskel-Kraft“ durch DC-Kleinstantriebe

Kompakte Antriebe für humanoide Roboter

Schon in ihrer Grundbewegung haben humanoide Roboter gegenüber den sonst üblichen Ausführungen einen entscheidenden Nachteil: Das Gehen auf zwei Beinen ist ungleich komplexer als jedes noch so fein gesteuerte Fahren auf Rädern. Bild: Dongbu Robot

Roboter sind heute allgegenwärtig. So sind sie beispielsweise aus der automatischen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Roboter produzieren aber nicht nur Autoteile, sondern erforschen auch ferne Planeten, selbstfahrende Serviceroboter saugen Staub oder mähen den Rasen und in der Chirurgie unterstützen Robotersysteme die Operateure. Noch nicht ganz so weit verbreitet sind humanoide Roboter, deren Konstruktion der menschlichen Gestalt nachempfunden ist. Fußball oder Tischtennis spielende Roboter kennt allerdings inzwischen jeder. Hier bilden Spielspaß, Forschung und technische Entwicklung eine produktive Einheit, die zukünftig auch wirtschaftlichen Nutzen bringen wird. Eine wesentliche Rolle spielen dabei die eingesetzten Motoren, die dafür sorgen, dass sich die humanoiden Roboter „menschenähnlich“ bewegen können.

Schon in ihrer Grundbewegung haben humanoide Roboter gegenüber den sonst üblichen Ausführungen einen entscheidenden Nachteil: Das Gehen auf zwei Beinen ist wesentlich komplexer als jedes noch so fein gesteuerte Fahren auf Rädern. Auch der Mensch braucht schließlich ein gutes Jahr, bis er diese scheinbar banale Bewegungsfolge beherrscht und das harmonische Zusammenspiel zwischen Muskeln, Gelenken und mehreren spezialisierten Hirnregionen zustande bringt. Dazu kommt, dass die menschliche Biomechanik an Energieeffizienz zu wünschen übrig lässt. Die ungünstigen Hebelverhältnisse von Armen und Beinen erfordern einen hohen Krafteinsatz für vergleichsweise bescheidene Ergebnisse.

Die Idee vom künstlichen Menschen

Die Roboter der Baureihe Hovis Lite erfreuen sich bei Bastlern großer Beliebtheit Bild: Dongbu Robot

Die Roboter der Baureihe Hovis Lite erfreuen sich bei Bastlern großer Beliebtheit
Bild: Dongbu Robot

Nichtsdestotrotz hat die Idee vom künstlichen Menschen eine lange Tradition. Schon die griechische Mythologie berichtet in der Ilias, dass der Schmiedegott Hephaistos sich menschenähnliche Maschinenwesen als Untertanen gebaut habe. Heute gibt es eine große internationale Gemeinde von Roboterfreunden, die an selbstgebauten oder aus vorgefertigten Bausätzen zusammengestellten Robotern ihre Programmierkünste erproben und nebenbei die Erkenntnisse über die Möglichkeiten humanoider Roboter vorantreiben.

Mit HerkuleX-Servo-Einheiten werden die Maschinen in die Lage versetzt, einfache Bewegungen ebenso wie komplexe Mobilitätsmuster eigenständig präzise zu steuern. Bild: Dongbu Robot

Mit HerkuleX-Servo-Einheiten werden die Maschinen in die Lage versetzt, einfache Bewegungen ebenso wie komplexe Mobilitätsmuster eigenständig präzise zu steuern.
Bild: Dongbu Robot

In dieser Szene hat die Hovis-Serie von Dongbu Robot zahlreiche Anhänger. Das koreanische Unternehmen, das auch Industrie- und Service-Roboter herstellt, hat für die rund 35 Zentimeter großen Maschinenmänner kompakte Servo-Einheiten entwickelt, die quasi – um beim menschlichen Vergleich zu bleiben – als Muskel-Sehnen-Nerven-Pakete in den Gliedmaßen sitzen. Sie bestehen aus Motor, Getriebe, Encoder für die genaue Positionsbestimmung des Motors und einer leistungsfähigen Kommunikationsschnittstelle. Das abgestimmte Zusammenspiel dieser Servoeinheit, der Software und der Kontrolleinheit des Roboters ermöglicht den einzelnen Gelenken eine erstaunliche Autonomie des Bewegungsablaufes; der Roboter kann recht komplexe Mobilitätsmuster eigenständig und präzise ausführen.

Spezielle Anforderungen an die Motoren

Die DC-Kleinstmotoren erreichen ein Dauer-Drehmoment von 10 mNm bei einem Motordurchmesser von lediglich 22 Millimetern. Außerdem eignen sie sich besonders für akkugestützte Einsatzfälle. Bild: FAULHABER

Die DC-Kleinstmotoren erreichen ein Dauer-Drehmoment von 10 mNm bei einem Motordurchmesser von lediglich 22 Millimetern. Außerdem eignen sie sich besonders für akkugestützte Einsatzfälle.
Bild: FAULHABER

Der in den Servoeinheiten eingesetzte Motor muss dazu allerdings einige spezielle Anforderungen erfüllen. So sollte er, wegen der bereits erwähnten eher ungünstigen humanoiden Hebelverhältnisse, ein möglichst hohes Drehmoment entwickeln und das bei möglichst kompakten Abmessungen, da der Einbauraum in den Servoeinheiten knapp bemessen ist. Nach ausführlichem Marktvergleichen hat sich Dongbu Robot aus diesem Grund schließlich für die DC-Kleinstmotoren der Serie 2224 SR und 2232 SR von FAULHABER entschieden. Die kompakten Kraftpakete erreichen ein Dauer-Drehmoment von 10 mNm bei einem Motordurchmesser von lediglich 22 Millimetern. Außerdem benötigen sie nur sehr geringe Anlaufspannungen und sind gegenüber Spannungsschwankungen tolerant. Damit eignen sie sich besonders für akkugestützte Einsatzfälle wie in der beschriebenen Anwendung. Auch der hohe Wirkungsgrad von bis zu 87 Prozent macht sich bei Akkubetrieb positiv bemerkbar. Zudem erleichtert die lineare Charakteristik der Motoren die Regelung.

Geringes Trägheitsmoment und rastmomentfrei

Die DC-Kleinstmotoren unterscheiden sich von herkömmlichen Ausführungen hauptsächlich durch den Rotor. Dieser ist nicht auf einen Eisenkern gewickelt, sondern besteht aus einer freitragenden, in Schrägwicklung hergestellten Kupferspule. Der leichte Rotor überzeugt durch ein geringes Trägheitsmoment und rastmomentfreien Lauf, was wiederum der Dynamik zugute kommt. Bei Motoren mit kleiner Leistung haben sich die Edelmetall-Kommutierungssysteme zudem wegen ihres geringen Übergangswiderstands bestens bewährt.

DC-Kleinstmotoren mit Edelmetallkommutierung Bild: FAULHABER

DC-Kleinstmotoren mit Edelmetallkommutierung
Bild: FAULHABER

Von diesen Eigenschaften lässt sich natürlich auch in vielen anderen Anwendungen profitieren. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von 6 bis 22 mm zur Verfügung und werden ergänzt durch eine umfangreiche Auswahl an Standardkomponenten wie hochauflösenden Encodern, Präzisionsgetrieben und Steuerungen. Für besondere Anforderungen lassen sie sich zudem modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören beispielsweise Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker. Dementsprechend breitgefächert ist das Anwendungsspektrum; es reicht von der Medizin- und Kameratechnik bis hin zu beliebigen Automatisierungsaufgaben und eben auch der Robotik.

Was ihren Nutzwert angeht, sind die humanoiden Roboter zwar noch weit von ihren stationären Industriekollegen und den rollenden Servicemaschinen entfernt. Das könnte sich jedoch in absehbarer Zukunft ändern. Die Fans der Fußball spielenden Roboter haben sich jedenfalls das Ziel gesetzt, bis 2050 mit ihren „Maschinenmännern“ den dann amtierenden menschlichen Weltmeister schlagen zu können.

Über Faulhaber
Die FAULHABER-Gruppe mit ihren 1.500 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu 200 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marken der FAULHABER-Gruppe gelten weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Bestückungsautomaten, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom Mikroantrieb mit 1,9 mm Durchmesser bis zum leistungsstarken 44-mm-DC-Kleinstmotor kombinierbar mit verschiedenen Präzisionsgetrieben, bietet das Unternehmen zuverlässige Systemlösungen für eine Vielzahl von Anwendungen.

Titelbild: Dongbu Robot


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