Aktorik „Der Aktor weiß, wo er steht und was gerade passiert“

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Ein Aktor, der eine Roboterhand so sensitiv greifen lässt, wie es das menschliche Pendant kann, sich dabei auch noch selbst wahrnimmt und entsprechend reagiert, könnte die Robotik verändern. Wir haben mit Dr. Georg Bachmaier und Patrick Fröse über den Aktor mit dem sechsten Sinn gesprochen.

Naxture Guide ist ein Aktor mit dem sechsten Sinn. Was versteht man darunter?

Dr. Georg Bachmaier: Beim sechsten Sinn geht es in erster Linie um die Wahrnehmung des eigenen Körpers. Nur dadurch sind wir Menschen z. B. in der Lage beim Gehen, Laufen oder Schreiben wahrzunehmen, wo sich unser Bein oder unsere Hand gerade bewegt.

Wir haben unserem Aktor beigebracht, dass er sich auch selbst wahrnehmen kann. Er weiß, wo steht er und was gerade passiert. Er erkennt die Kraft und kann die Geschwindigkeit wahrnehmen.

Wie funktioniert die Technik dahinter genau?

Bachmaier: Wir haben versucht eine perfekte Kopplung zwischen elektrischer und mechanischer Schnittstelle herzustellen und ein reziprokes System zu erschaffen, also ein System, bei dem verschiedene Kennwerte aufeinander Bezug nehmen. Wir sehen z. B. Kraft als Spannung und Geschwindigkeit als Strom. Diese Reziprozität nutzen wir, um dem Aktor den sechsten Sinn zu verleihen. Das ermöglicht uns der Piezo. Er kommt dem idealen Wandler sehr nahe.

Sie vergleichen die Funktionsweise von Naxture Guide mit der eines Kiefermuskels einer Löwenmutter. Können Sie diesen Vergleich näher erläutern?

Bachmaier: Wir haben diesen Vergleich gewählt, weil man in den Zähnen eigentlich kein Gefühl hat. Das bedeutet, wenn die Löwenmutter das Baby im Maul hält, kann sie nicht über die Zähne wahrnehmen, wie fest sie zupacken muss, da sie hier keine Sensoren hat. Sie kann nur über die Muskulatur verhindern, dass sie nicht zu fest zubeißt und das Löwenbaby damit verletzt. Genau das geschieht über den sechsten Sinn, die Eigenwahrnehmung. Das ist die sogenannte Propriozeption – also die unbewusste Wahrnehmung der eigenen Bewegung oder Haltung.

Welche Vorteile bringt der sechste Sinn im Aktor letztendlich dem Anwender?

Bachmaier: Unser Aktor-Sensor-System kombiniert zwei Systeme in einem, d.h. der Anwender hat eine viel geringere System-Komplexität. Das bringt zum einen eine höhere Sicherheit mit sich und zum anderen verringern sich auch die Kosten. Man kann sehr leicht Redundanz ins System bringen und so Ereignisse zweimal wahrnehmen, z. B. über Sensorik und über unseren Aktor – das erhöht die Sicherheit noch einmal. Da das System Veränderungen wahrnehmen kann, können auch Ausfälle viel früher detektiert werden und man spart sich kostentreibende Kalibriervorgänge, da sich das System selbst erkennt und sich selbst kalibrieren kann.

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen, wie Anwender Naxture Guide nutzen können?

Patrick Fröse: Das Greifen ist hier eine prädestinierte Anwendung. Wenn ein Aktor im Greifer selbst erkennt, was er gegriffen hat und ob er eventuell noch einmal nachfassen muss, erlaubt dies eine sehr schnelle Regelung, ohne dass man Sensorik dafür einsetzen muss. Der Aktor sagt selbst, ich habe etwas Weiches gegriffen oder etwas sehr Steifes.

Dies lässt sich auch bei der Mensch-Maschine-Interaktion nutzen, um Sicherheitssysteme einfacher umzusetzen. Wenn der Cobot erkennt, er greift etwas, das sich anfühlt wie eine menschliche Hand, dann sollte er nicht so viel Kraft aufbringen wie beim Greifen eines Werkstückes. Das dynamisches Nachregeln in diesem Zusammenhang ist ein großes Thema bei Naxture Guide.

Lineares Antriebssystem

Eine Revolution in der Aktorik

Das sensitive Greifen ist bei Naxture Go schon ein Thema gewesen. Was ist bei Naxture Guide anders?

Fröse: Naxture Go beschreibt im Prinzip den Aktorik-Teil unserer Plattform. Naxture Guide erweitert diese nun mit der Fähigkeit der Wahrnehmung, aus der sich sinnvolle Regelungsstrategien ableiten lassen.

Wie ist diese Plattform aufgebaut?

Fröse: Naxture ist quasi der Überbegriff für die Technologieplattform. Dort gibt es die Produktfamilie Naxture Go, die sämtliche Aktorik-Elemente zusammenfasst. Nun haben wir die Plattform mit Naxture Guide erweitert. Wenn man diese Intelligenz, den sechsten Sinn in seiner Anwendung dabei haben möchte, lässt sich dieser Baustein optional dazu auswählen.

Der Aktor funktioniert im Vier-Quadranten-Betrieb. Erklären Sie doch bitte, was das bedeutet.

Fröse: Zur Erklärung nutze ich gerne das Auto als Analogie: Hier gibt es einen Vorwärts- und einen Rückwärtsgang, ein Gaspedal und eine Bremse. Man kann damit vorwärts und rückwärts fahren, beschleunigen und verzögern und bedient so alle vier Quadranten.

Welche Vorteile bringt das bei Ihrem Aktorsystem?

Fröse: Im Aktor haben wir nun genau die Möglichkeit, die der Muskel auch hat. Wir können loslassen, greifen, anheben, absenken, beschleunigen, verzögern – und das alles mit nur einem Aktor. In vielen Anwendungen werden heute alle vier Quadranten für die Funktionalität benötigt. Diese Anforderung können wir mit unserem Aktorsystem abdecken.

Wie ist der Antrieb aufgebaut und wie funktioniert er?

Bachmaier: Im Prinzip verschalten wir immer zwei Aktoren durch ein paar passive Elemente so miteinander, dass wir durch das Ansteuern eines Aktors eine Geschwindigkeits- und Richtungsvorgabe machen und die Kraft – ob generatorisch oder motorisch, ob beschleunigen oder verzögern – ist dann die Wirkung, die sich daraus ergibt.

Fröse: Wenn man kontrollierte Bewegungen in allen Einsatzsituationen realisieren will – also wenn man nicht weiß, ob mit dem System etwas weggeschoben werden soll oder ob von außen etwas daran zieht, dann tun sich Antriebe häufig schwer damit, darauf dynamisch zu reagieren. Durch die Verschaltung der zwei aktiven mit ein paar passiven Bauteilen, definieren wir, im nächsten Schritt darf sich der Aktor mit einer definierten Geschwindigkeit bewegen und unabhängig, ob etwas zieht oder eine große Last von außen wirkt, können wir immer diese Geschwindigkeit sicherstellen.

Weiß man bei Prozessregelventilen z. B. nicht, ob eine Überströmung vorliegt, die das Ventil schließen soll oder einen Druck, bei dem das Ventil öffnen soll, unabhängig von äußeren Umgebungsbedingungen, funktioniert das immer mit dem Systemverhalten, das man vorher über die Geschwindigkeitsvorgabe eingeprägt hat.

Der Vier-Quadranten-Betrieb ist ja nicht neu. Was ist bei ihrem System anders?

Bachmaier: In dieser Art der Miniaturisierung auf kompaktem Bauraum mit einer solchen Kraftdichte gibt es die Antriebsart so noch nicht auf dem Markt. Der Vier-Quadranten-Betrieb ist die maximale Ausbaustufe. Wir können mit dem Baukasten auf alle Kundenanforderungen reagieren. Manchmal reicht auch ein Ein-Quadranten-Betrieb mit variabler oder fester Impedanz. Auch Zwei-Quadranten-Betriebe lassen sich realisieren.

Wie geht es mit Naxture weiter?

Fröse: Wir möchten mit der Naxture-Plattform alle Anwendungen abdecken können, die uns als Menschen so leicht fallen, die in der Automatisierungstechnik aber noch extrem schwer umzusetzen sind. Daran arbeiten wir mit Naxture stetig weiter.

Vielen Dank, Herr Dr. Bachmaier und Herr Fröse.

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