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The Walking Robot: Motoren treiben Knöchel-, Knie- und Hüftgelenk an

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Anbieter zum Thema

Maxon Motor GmbH
Oswald Elektromotoren GmbH
FAULHABER Antriebssysteme
Texas A & M University
maxon international ag

Hall-Sensoren für jeden Motor

Im Amber 2 kommen in jedem Bein drei Motoren und drei Winkelgetriebe zum Einsatz, jeweils eins für Knöchel-, Knie- und Hüftgelenk. Zu Beginn verwendete das Team die Motoren in Verbindung mit Winkelgetrieben eines anderen Herstellers. Das hohe Drehmoment, das der Motor auf das Getriebe übertrug und die durch Versatz und/oder lose Verbindungen zwischen den Komponenten bedingten Vibrationen führten jedoch dazu, dass die Gelenke nicht lange hielten. „Wir erkannten, dass wir ein einzelnes, nahtloses Paket benötigten, so dass wir Gelenkmechanismen mit möglichst engen Toleranzen einsetzen konnten“, erläutert Dr. Ames. Wenn der Fuß des Roboters den Boden berührt, müssen die Motoren beim Auftreffen ihre Drehrichtung umkehren. Dadurch wirkt auf die Motoren ein gewaltiges Drehmoment.

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Aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit kommen im Amber-Roboter bürstenlose Motoren zum Einsatz. Die elektronisch kommutierten Motoren haben eine besonders lange Lebensdauer, da sie ohne mechanische Bürsten auskommen. In jeden Motor sind Hall-Sensoren eingebaut, die Rückmeldungen an die Steuerelektronik geben. Der Motor ist so konstruiert, dass sich die Spulen außerhalb des Rotors befinden. Auf diese Weise werden eine gute Wärmeableitung und eine hohe Überlastkapazität erreicht. Jeder Motor ist in einem Gehäuse aus rostbeständigem Stahl untergebracht. Je nach Anforderung und Selektion des Kunden sind die Modelle in verschiedenen Längen und Durchmessern erhältlich – typische Durchmesser reichen von 16 bis 40 mm und die üblichen Längen von 24 bis 88 mm. Der Bereich der Umgebungstemperatur reicht von –40 bis 100 °C. Zudem sind in den Motoren von Maxon Hochenergie-Magnete aus Neodym verbaut. Dadurch lassen sich eine Anlaufzeitkonstante von lediglich 5 ms und eine geringe Baugröße erzielen. Elektronische Kommutierung soll das Rauschen auf ein Minimum reduzieren. Um die angestrebten Drehzahlen im Hinblick auf die verfügbare Spannung optimieren zu können, werden die Motoren mit unterschiedlichen Wicklungen angeboten.

Schwerpunkt des Roboters bestimmen

Durch rechtwinklige Gelenke funktioniert der Roboter auf eine natürlichere Art. „Wir hatten bei der Anbringung des Motors direkt am Gelenk zunächst einige Probleme mit der Masseverteilung, die mit den rechtwinkligen Motor-Getriebebaugruppen von Maxon nicht auftraten. Darüber hinaus konnten wir mit dieser Baugruppe den genauen Schwerpunkt des Roboters bestimmen“, erklärt Dr. Ames. Mit den richtigen Gelenkbaugruppen ließ sich das Verhalten der Komponenten sehr gut vorhersagen – eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung der Steuerschnittstelle. Die Art des Zusammenbaus ermöglichte die ruckelfreie Funktion des Motors bei niedrigen Drehzahlen. Für jedes der 6 Gelenke wurden größere Ritzel und eine Kette eingebaut.

Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, die Fähigkeiten von radgetriebenen Robotern zu übertreffen. Dazu konzentrieren sich die Forscher auf bereits erhobene Daten, die belegen, dass das menschliche Gehverhalten ähnlich wie ein Masse-Feder-Dämpfer-System funktioniert; eines der einfachsten mechanischen Systeme. Aktuell ist das Team dabei, dieses System durch eine Kombination aus Motoren und Getrieben sowie der zugehörigen Elektronik zu reproduzieren. (sh)

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