Roboter Hochpräzise Kontinuumrobotik für die Forschung

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Die TU München nutzt Sensojoints-Aktoren der Firma Sensodrive, um verformbare, biegsame Roboter zu bauen, die nicht über klassische Gelenke bewegt werden, sondern über Seile beziehungsweise Kabel. Das Forschungsteam setzt dabei neue Maßstäbe in der Modellierung und Regelung der kabelaktuierten Kontinuumroboter. 

Kontinuumroboter sind eine spannende Robotiktechnologie: Durch ihre kontinuierlich verformbare Struktur eröffnen sie neue Anwendungsmöglichkeiten – etwa in der Medizintechnik, bei Inspektionsaufgaben in engen Umgebungen oder in sicherheitskritischen Mensch-Roboter-Interaktionen. Gleichzeitig stellen sie Forschung und Entwicklung vor enorme Herausforderungen, insbesondere bei Modellierung, Zustandsschätzung und Regelung.

Am Lehrstuhl für Regelungstechnik der Technischen Universität München (TUM) wurde genau diese Herausforderung in einem aktuellen Forschungsprojekt adressiert. Ziel war der Aufbau eines solchen kabelaktuierten Kontinuum-Manipulators, der es erlauben sollte, Sehnenkräfte hochpräzise zu messen und direkt zu regeln – als Grundlage für neuartige modellbasierte Regelungs- und Beobachterkonzepte. Dafür setzte das Forschungsteam Sensojoints-Aktoren von Sensodrive ein.

Ein Experimentalroboter für neue wissenschaftliche Erkenntnisse

Im Zentrum des Projekts stand die Entwicklung eines experimentellen Robotersystems mit elastischem Rückgrat und seilbasierter Aktuierung. Anders als klassische Industrieroboter besitzt der Kontinuumroboter keine diskreten Gelenke, sondern verformt sich kontinuierlich über seine gesamte Länge. Die Bewegung wird über mehrere Sehnen erzeugt, deren Spannung gezielt eingestellt werden muss.

Für die Forschung bedeutet das: Nur wenn die abtriebsseitigen Drehmomente und Kräfte exakt gemessen und geregelt werden, lassen sich realitätsnahe Modelle validieren, Zustände zuverlässig schätzen und externe Störungen erkennen. Genau hier lagen die Grenzen bisher eingesetzter Antriebslösungen, die lediglich indirekte Drehmomentregelung über Motorströme erlaubten.

Aktorik als Enabler für das Forschungsprojekt

Für den neuen Versuchsaufbau entschied sich das Forschungsteam der TUM für die Sensojoints von Sensodrive. Ausschlaggebend war das Gesamtpaket aus direkter, hochauflösender Drehmomentmessung, leistungsfähiger Advanced-Torque-Control sowie einer offenen und transparenten Systemarchitektur.

Erst durch die direkte Regelung des abtriebsseitigen Drehmoments – inklusive Kompensation von Getriebeeffekten wie Reibung oder Ripple – konnte der Kontinuumroboter so schnell aufgebaut und produktiv eingesetzt werden. Ein Erfolgsfaktor war auch die Integration: Dank der Dokumentation und der Unterstützung gängiger Standards wie CiA402 konnten Hard- und Software bereits vor der Lieferung vorbereitet werden. Dadurch verkürzte sich die Zeit von der Planung bis zur Inbetriebnahme.

Kontinuumroboter liefert präzise Messdaten 

Im Betrieb zeigte sich der Mehrwert der Aktoren: Die präzise Drehmomentmessung auf der Abtriebsseite ermöglichte eine bislang unerreichte Analyse des Systemverhaltens. Gleichzeitig konnten Effekte, die frühere Versuchsaufbauten verfälschten – etwa nicht kompensierte Getriebereibung – wirkungsvoll eliminiert werden.

Die so gewonnenen experimentellen Daten bildeten die Grundlage für die Validierung neuer diskreter Modellierungs- und Beobachteransätze und flossen direkt in eine wissenschaftliche Publikation ein. Damit wurde der Kontinuumroboter nicht nur zu einem Versuchsaufbau, sondern zu einem verlässlichen Referenzsystem für weiterführende Forschung.

Partnerschaft mit Fokus auf die Forschungsfrage

Das TUM-Team profitierte von der technischen Beratung, der Erreichbarkeit und der transparenten Dokumentation: Statt einer Black-Box-Lösung stand den Wissenschaftlern ein System zur Verfügung, dessen Verhalten sie im Detail nachvollziehen und gezielt nutzen konnten. Dies erwies sich als Vorteil im wissenschaftlichen Kontext.

Aus Sicht der Projektverantwortlichen war vor allem das Interesse des Zulieferers an der Forschungsfragestellung wichtig für die Zusammenarbeit. Lösungen wurden nicht „verkauft“, sondern gemeinsam erarbeitet – mit dem klaren Ziel, die bestmögliche technische Basis für die Forschung zu schaffen.

Zukunftsperspektive: Von der Modellierung zur Regelung

Nach erfolgreichen Arbeiten an Modellidentifikation und Zustandsschätzung verlagert sich der Fokus des Projekts nun zunehmend in Richtung modellbasierter Regelung des Kontinuumroboters. Die eingesetzten Aktoren werden dabei weiterhin eine zentrale Rolle spielen. Das Projekt zeigt, wie sich mit standardisierten, drehmomentgeregelten Antriebslösungen in kürzester Zeit komplexe Forschungsplattformen realisieren lassen – ohne Kompromisse bei Präzision oder Qualität.