Getriebe Kurzbauendes Gelenkmodul für Roboterhand und Humanoid

Autor / Redakteur: Hans-Erich Maul / Ute Drescher

Die geschickte Anwendung innovativer Getriebetechnik macht es möglich, eine Roboterhand zu konstruieren, die der Bewegungsfähigkeit, der Statik und der Dynamik einer menschlichen Hand nahe kommt. Wird das Grundelement, aus dem der Roboter besteht, das Gelenkmodul, mechanisch verbessert, lässt sich durch geschickte Varianz und Größenmechanik ein ganzer Humanoid aufbauen.

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(Bild: Maul Konstruktionen)

Bei der Entwicklung einer Roboterhand besteht die Grundaufgabe darin, möglichst effektiv die Drehbewegung eines leistungsstarken Elektromotors in eine erheblich verstärkte Drehbewegung des Gelenks zu wandeln. Dies lässt sich durch die Anwendung zweier hintereinander geschalteter, hochuntersetzender Getriebe erreichen: einem Exzenter- und einem Schneckengetriebe. Das Schneckengetriebe ist maßgleich mit einem zweiten Schneckengetriebe mit halb so großer Untersetzung (eingängig und zweigängig); dadurch kann ein schnelleres und ein stärkeres Gelenkmodul maßgleich gebaut werden.

Das Gelenkmodul ist äußerst kompakt und stärker als andere Modulen am Markt, die hauptsächlich in Roboterhänden angewendet werden. Dadurch, dass der Drehpunkt seitlich neben der Motor-Getriebe-Achse liegt, baut das Gelenk kürzer und lässt sich ohne Störkante besser zusammenklappen. Das Gelenk wird dadurch beweglicher als vergleichbare mit Kegelradgetrieben. Außerdem entspricht diese Bewegung den Gelenken des menschlichen Körpers, welche sich von der Strecklage in die fast zusammengefaltete Lage bewegen können.

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Die verwendeten Getriebe sind nicht filigran, sondern robust und relativ hoch belastbar durch den konsequente Einsatz zweifach stabiler Kugellagerungen der Gelenkverbindungen. Weil die Getriebe einen hohen Wirkungsgrad haben und vollständig kugelgelagert sind, ist es möglich den Gesamtwirkungsgrad oberhalb 0,8 zu halten.

Zweifache Kugellagerung macht die Getriebe stabil

Ein zweigeteiltes Innengehäuse und darum ein ebenfalls zweigeteiltes Mantelgehäuse umschließen das Getriebe. In den Zwischenräumen zwischen Innengehäuse und Mantelgehäuse werden die Kabel zum leicht montierbaren Motor an den Seiten geführt. Aufgrund der konstruktiven Gestaltung – das Innengehäuse hat schraubbare Seitenwangen – ist es möglich, das Gelenkmodul in Ketten aneinander zu bauen und damit äußerst bewegliche Greifer-Gelenkketten mit bis zu vier Gliedern (lediglich die Kabelführung schränkt die Gliederzahl ein) hintereinander anzuordnen. Die Montage des Gelenkmoduls mit seitlich anzuschraubenden ineinander verschachtelten Mantelgehäusehälften ist einfach durchzuführen.

Die Kabelführung ist elegant und montagefreundlich gelöst

Die Kabelführung bei mehreren Gelenken ist elegant, montagefreundlich und funktionssicher gelöst. Das Mantelgehäuse hat Viertelkreisfahnen an den Seiten, die die Kabel abdecken und vor Quetschen sichern. Aufgrund der Modulbauweise lässt sich zum Beispiel eine Roboterhand gestalten, bei der alle Glieder das gleiche Grundmodul haben. Diese Hand ist in allen Gelenken elektromotorisch steuerbar.

Die Modulbauweise, die fertigungsgerechte Gestaltung und die Verwendung von handelsüblichen Norm-Getriebeelementen macht die Herstellung einfach und sehr preiswert. Integriert in das Gelenkmodul ist ein leistungsstarker Elektromotor mit Encoder. Damit ist das Modul in sehr kleinen Mikroschritten zu bewegen. Die technischen Daten des Gelenkmoduls:

  • Abmessungen: Mittenabstand Drehgelenk: 50 mm;
  • Kleinster Winkelschritt: 0,00045° (*0,0009°)(Theoretisch);
  • Gelenkgeschwindigkeit: 100°/2 s (*100°/s) (Unter Nenn-Last); 100°/1,3 s (*100°/0,65 s) (ohne Last);
  • Vollständig massiv kugelgelagert;
  • Drehmoment des Gelenkes: 2,2 Nm (*1,155Nm)
  • Haltemoment: 5,27 Nm (*2,635 Nm);
  • Kraft Mitte Gelenk: 88 N (*46,2 N) (bei Getriebewirkungsgrad 80 %);
  • Haltekraft Mitte Gelenk: 211 N (*105,5 N); *mit zweigängigem Schneckengetriebe

Das Gelenkmodul lässt sich zu einer Roboterhand kombinieren, die vollständig aus gleichen Gelenkmodulen aufgebaut ist. Die Finger bestehen aus vier Modulen und können damit genau wie die Finger einer Menschen-Hand bewegt werden. Das Modul an der Fingerkuppe erhält das zweigängige Schneckengetriebe. Dadurch wird es schneller und die Hand beweglicher.

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